Tổng quan luận án

Bê tông cốt thép (BTCT) là loại vật liệu kết cấu được sử dụng phổ biến trong các công trình xây dựng dân dụng và giao thông tại Việt Nam. Dưới tác động bất lợi của điều kiện tự nhiên, đặc biệt là môi trường ven biển có độ xâm thực cao dẫn đến ăn mòn cốt thép, nứt vỡ lớp bê tông bảo vệ, cùng với nhu cầu gia tăng tải trọng khai thác và sự thay đổi của các tiêu chuẩn thiết kế mới, nhiều công trình BTCT bị suy giảm khả năng chịu lực. Các giải pháp tăng cường truyền thống như bọc áo bê tông cốt thép, dán bản thép ngoài, căng cáp dự ứng lực ngoài hay dán vật liệu polymer cốt sợi (FRP) đều bộc lộ một số hạn chế nhất định. Trong đó, vật liệu FRP sử dụng chất nền hữu cơ epoxy có độ bền nhiệt và môi trường không cao, dễ bị suy giảm chất lượng dưới tác động của nhiệt độ cao, tia tử ngoại, tia gamma, không cho phép thoát hơi ẩm và có thể phát tán khí độc khi xảy ra hỏa hoạn.

Nhằm khắc phục các nhược điểm của chất nền epoxy, giải pháp thay thế bằng chất nền vô cơ bê tông hạt mịn kết hợp với lưới sợi dệt cường độ cao—tạo thành vật liệu bê tông cốt lưới dệt (Textile Reinforced Concrete - TRC, còn được gọi là Textile Reinforced Mortar - TRM hoặc Fabric Reinforced Cementitious Matrix - FRCM)—đã được nghiên cứu ứng dụng trên thế giới. Tuy nhiên, tại Việt Nam, TRC là vật liệu hoàn toàn mới và chưa có nghiên cứu chuyên sâu nào được triển khai trước thời điểm luận án thực hiện. Hơn nữa, phần lớn các nghiên cứu và chỉ dẫn kỹ thuật quốc tế hiện hành chủ yếu tập trung vào cấu kiện chưa chịu lực, chưa giải quyết thỏa đáng bài toán tăng cường khi kết cấu đang duy trì tải trọng khai thác.

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Nguyễn Huy Cường, thực hiện tại Trường Đại học Giao thông Vận tải dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Ngô Đăng Quang và GS.TS Phạm Duy Hữu, thuộc chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng công trình đặc biệt (Mã số: 95.206), tập trung giải quyết các mục tiêu nghiên cứu cụ thể được đánh số như sau:

  1. Xây dựng mô hình tính toán xác định toàn bộ quá trình làm việc của kết cấu dầm BTCT được tăng cường khả năng chịu lực bằng TRC, có xét đến trạng thái dầm đang chịu lực khi thực hiện tăng cường.
  2. Xác định các tính chất cơ học cơ bản của vật liệu TRC chế tạo từ nguồn nguyên liệu sẵn có tại Việt Nam; thực hiện thí nghiệm vật lý kiểm chứng các mô hình tính toán sức kháng uốn và sức kháng cắt đã đề xuất.
  3. Nghiên cứu khảo sát các tham số ảnh hưởng đến ứng xử tổng thể của dầm BTCT được tăng cường bằng TRC thông qua mô phỏng phần tử hữu hạn phi tuyến.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án:

  • Đối tượng nghiên cứu: Ứng xử chịu uốn và chịu cắt của dầm giản đơn bằng bê tông cốt thép được tăng cường bằng bê tông cốt lưới dệt (TRC).
  • Phạm vi nghiên cứu: Kết cấu dầm chịu tác dụng của tải trọng tĩnh; bê tông hạt mịn có cường độ chịu nén đến 60 MPa; lưới sợi dệt loại carbon có độ mịn 1600 tex, cường độ chịu kéo danh định đến 3000 MPa; công nghệ thi công lớp TRC bằng phương pháp trát thủ công lên bề mặt ngoài của kết cấu.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Vật liệu TRC bắt đầu được nghiên cứu và phát triển từ cuối những năm 1990 tại Đại học Kỹ thuật Tổng hợp Dresden và Đại học Kỹ thuật RWTH Aachen (Đức). Các công trình thực tế trên thế giới đã ứng dụng TRC gồm: sửa chữa tăng cường dầm khung sân vận động Meazza tại Milan, Ý năm 2002 (Triantafillou & Papanicolaou); sửa chữa dầm sàn tầng hầm sau hỏa hoạn tại Ehrendingen, Thụy Sỹ năm 2013 (Weiland); tăng cường sàn nhà cao tầng tại Prague, Cộng hòa Czech năm 2009. Tại Việt Nam, nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Giao thông Vận tải đã ứng dụng TRC sợi thủy tinh để sửa chữa sàn nhà xưởng EXEDY tại Vĩnh Phúc năm 2018.

Tổng quan các nghiên cứu quốc tế được tác giả phân tích theo các nhóm chủ đề chính:

  • Đặc tính cơ học của vật liệu thành phần: Nghiên cứu của Brameshuber (2006) về 3 cấp độ cấu trúc của cốt lưới dệt (sợi cơ bản 7–27 µm, bó sợi roving 0,5–1,5 mm, tấm lưới dệt); nghiên cứu của Brockmann (2006) về thành phần cấp phối và cơ học của bê tông hạt mịn; nghiên cứu của Abdkader về độ cứng sau nứt của lưới sợi carbon so với sợi thủy tinh kháng kiềm chứa phụ gia Zirconi (Zr).
  • Ứng xử dính bám giữa lưới sợi và bê tông hạt mịn: Jesse (2008), Krüger (2004), Banholzer (2006) phân tích cơ chế dính bám trong (giữa các sợi cơ bản phía trong lõi bó sợi) và dính bám ngoài (các sợi ngoài tiếp xúc với bê tông hạt mịn); Ortlepp (2006) phát triển thí nghiệm kéo tuột mẫu nón 45° xác định chiều dài neo; Shiping Yin và tiêu chuẩn ACI 549.4R-13 quy định chiều dày lớp bê tông bảo vệ từ 2 đến 5 mm.
  • Ứng xử chịu kéo dọc trục của tấm TRC: Hegger (2006), De Felice (2014), Colombo (2013), D'Antino (2014) xác lập đường cong ứng xử 4 giai đoạn có xét đến hiệu ứng cứng hóa chịu kéo (tension stiffening effect); Curbach (2006) chỉ ra sự suy giảm cường độ chịu kéo của bó sợi đặt trong bê tông (từ 2300 MPa của sợi cơ bản xuống 1300 MPa của bó sợi và 1100 MPa khi nằm trong bê tông); Papanicolaou (2007) thiết lập công thức xác định cường độ chịu kéo có hiệu $f_{eff} = k_r \cdot k_b \cdot k_s \cdot f_u$; Voss và Hegger xác định ảnh hưởng của góc nghiêng bó sợi và hàm lượng cốt lưới.
  • Dính bám giữa TRC và bê tông nền: Orosz (2008), Ortlepp (2004), Tommaso (2008), D'Antino (2014), và hướng dẫn của Ủy ban Kỹ thuật RILEM 250-CSM (2018) phân loại 6 dạng phá hoại dính bám khi kéo trượt; tiêu chuẩn ACI 549.4R-13 quy định cường độ dính bám tối thiểu 1,38 MPa và tiêu chuẩn Đức Zulassung Z-31.10-182 quy định tối thiểu 1,5 MPa.
  • Tăng cường sức kháng uốn và kháng cắt: Nghiên cứu uốn của Babaeidarabad (2014), Triantafillou (2006), Ombres (2012), Raoof (2016), D’Ambrisi (2011), Bösche (2007); nghiên cứu uốn dưới tải trọng duy trì của Weiland (2009); nghiên cứu tăng cường kháng cắt của Blanksvärd (2009), Triantafillou và Papanicolaou (2006), Si Larbi (2010), Tetta (2015), Brückner (2006).

Khoảng trống nghiên cứu được luận án xác định: Chưa có mô hình giải tích toàn diện mô tả đầy đủ các giai đoạn làm việc của dầm BTCT được tăng cường bằng TRC khi đang duy trì tải trọng; thiếu các công thức thiết kế sức kháng uốn và kháng cắt phù hợp với hệ thống tiêu chuẩn xây dựng tại Việt Nam; chưa có bộ cơ sở dữ liệu thực nghiệm về vật liệu TRC chế tạo từ cốt liệu và xi măng trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp đồng thời ba phương pháp nghiên cứu: lý thuyết giải tích, thực nghiệm vật lý trong phòng thí nghiệm và mô phỏng số bằng phương pháp phần tử hữu hạn.

  • Cơ sở lý thuyết: Áp dụng nguyên lý cơ học kết cấu, lý thuyết đàn hồi - dẻo, phương pháp trạng thái giới hạn theo biến dạng phẳng (giả thiết tiết diện phẳng Bernoulli), điều kiện cân bằng lực và tương thích biến dạng. Vật liệu TRC được xem xét như một vật liệu composite đồng nhất quy đổi có xét đến quá trình phát triển vết nứt và hiệu ứng cứng hóa chịu kéo của bê tông hạt mịn giữa các vết nứt. Phân tích khối ứng suất bê tông nén tương đương theo hệ số $\alpha_1, \beta_1$ (theo ACI 318-11 và TCVN).
  • Phương pháp thực nghiệm:
    • Thí nghiệm cơ học vật liệu: Xác định cường độ nén, kéo uốn, mô đun đàn hồi của bê tông hạt mịn trên mẫu lăng trụ $40 \times 40 \times 160$ mm; thí nghiệm kéo một trục xác định ứng suất - biến dạng của lưới sợi carbon 1600 tex; thí nghiệm kéo tuột bó sợi xác định ứng xử dính bám sợi - bê tông hạt mịn; thí nghiệm kéo trượt xác định cường độ dính bám giữa tấm TRC và khối bê tông nền theo khuyến nghị của RILEM 250-CSM.
    • Thí nghiệm cấu kiện: Thí nghiệm gia tải tĩnh uốn 4 điểm trên dầm BTCT tăng cường uốn (mẫu BF1, BF2) và dầm tăng cường cắt (mẫu BS1) để đo đường cong lực - độ võng giữa nhịp, biến dạng vật liệu và hình thái nứt.
  • Phương pháp mô phỏng số: Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn 3D phi tuyến vật liệu (sử dụng mô hình Concrete Damaged Plasticity hoặc tương đương cho bê tông dầm và bê tông hạt mịn, phần tử thanh/dàn cho cốt thép và lưới dệt sợi carbon), thiết lập điều kiện tiếp xúc, kiểm chứng với dữ liệu đo thực nghiệm và mở rộng phân tích độ nhạy của các tham số.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu về ứng dụng bê tông cốt lưới dệt để tăng cường dầm bê tông cốt thép

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở khoa học và thực tiễn về vật liệu TRC và công nghệ tăng cường kết cấu BTCT. Nội dung chương phân tích chi tiết đặc tính cấu trúc của cốt lưới dệt (độ mịn tex, loại sợi carbon, thủy tinh kháng kiềm AR-glass, bazan, PBO; ảnh hưởng của lớp phủ polymer lefasol/styrene butadiene đến khả năng cố định nút lưới và giảm trượt sợi lõi). Đối với bê tông hạt mịn, tác giả phân tích yêu cầu cấp phối sử dụng cốt liệu cát thạch anh đường kính $D_{max} \le 1$ mm, tỷ lệ nước/chất kết dính ($w/b$) thấp, bổ sung muội silic và phụ gia siêu dẻo nhằm đạt độ chảy lan và tính tự đầm cao.

Thành phần vật liệu / Thông số cơ học Hỗn hợp PZ-0899-01 Hỗn hợp FA-1200-01 Hỗn hợp RP-03-2E
Xi măng CEM I 52,5 ($kg/m^3$) 490 210 980
Tro bay ($kg/m^3$) 175 455 210
Muội silic ($kg/m^3$) 35 35 210
Tổng lượng bột kết dính $b$ ($kg/m^3$) 700 700 1400
Phụ gia siêu dẻo (% chất kết dính) 1,5 0,9 2,5
Cốt liệu mịn 0 – 0,125 mm ($kg/m^3$) 500 470 118
Cốt liệu 0,2 – 0,6 mm ($kg/m^3$) 715 670 168
Nước ($l/m^3$) 280 280 350
Tỷ lệ nước / xi măng ($w/c$) 0,57 1,33 0,36
Tỷ lệ nước / bột ($w/b$) 0,40 0,40 0,25
Cường độ chịu nén $f_c$ (MPa) 86 40 135
Cường độ chịu kéo khi uốn $f_{cr}$ (MPa) - 4,2 -
Mô đun đàn hồi $E_c$ (MPa) 32000 22000 28500
Biến dạng cực hạn khi nén $\epsilon_{cu}$ (mm/m) 5,5 4,5 6,3

(Số liệu tổng hợp từ nghiên cứu của Brockmann [21] được tác giả trích dẫn trong Chương 1)

Chương 1 cũng tổng hợp các cơ chế phá hoại điển hình của dầm tăng cường uốn (tuột sợi khỏi chất nền, tách lớp bảo vệ cốt thép, đứt lưới sợi, tách lớp bề mặt tiếp xúc bê tông cũ - mới) và dầm tăng cường cắt (đứt sợi xiên, trượt neo, tách lớp chữ U). Trên cơ sở phân tích các chỉ dẫn hiện có (ACI 549.4R-13, tiêu chuẩn Đức Zulassung Z-31.10-182), tác giả chỉ ra sự cần thiết phải xây dựng mô hình tính toán chi tiết cho trường hợp dầm được tăng cường khi đang chịu tải.

Chương 2: Xây dựng mô hình tính toán xác định ứng xử chịu lực của dầm bê tông cốt thép được tăng cường bằng bê tông cốt lưới dệt

Chương 2 trình bày việc thiết lập các mô hình giải tích xác định ứng xử chịu uốn và chịu cắt của dầm BTCT tăng cường bằng TRC:

  • Mô hình ứng xử chịu uốn của dầm tăng cường khi chưa chịu lực: Phân tích dầm làm việc qua 3 giai đoạn: (1) giai đoạn chưa nứt (đàn hồi); (2) giai đoạn sau khi nứt đến khi cốt thép chịu kéo chảy dẻo; (3) giai đoạn sau khi cốt thép chảy đến khi kết cấu đạt trạng thái giới hạn phá hoại (do vỡ bê tông vùng nén hoặc đứt lớp cốt lưới TRC). Mô hình tích hợp quan hệ phi tuyến của bê tông, cốt thép và composite TRC quy đổi.
  • Mô hình ứng xử chịu uốn của dầm tăng cường khi đang chịu lực (duy trì tải trọng): Mô hình hóa trạng thái ứng suất - biến dạng ban đầu của tiết diện dầm trước khi gia cường (dưới tác dụng của tĩnh tải hoặc tải trọng khai thác duy trì). Quá trình làm việc được chia thành các pha: pha gia tải ban đầu (giai đoạn 0–1 chưa nứt, 1–2 nứt); pha duy trì/dỡ tải cục bộ khi trát TRC (giai đoạn 2–3); pha làm việc liên hợp sau khi lớp TRC đông cứng gồm giai đoạn bê tông hạt mịn chưa nứt (3–4), giai đoạn bê tông hạt mịn nứt đến khi thép dầm chảy dẻo (4–5), và giai đoạn sau khi cốt thép chảy đến khi phá hoại. Biến dạng ban đầu tại đáy dầm $\epsilon_{bi}$ được đưa vào phương trình tương thích biến dạng để xác định chính xác mức độ tham gia chịu lực của lớp TRC.
  • Mô hình xác định sức kháng uốn thiết kế: Xây dựng công thức tính toán mô men uốn danh định $M_n$ dựa trên cân bằng khối ứng suất nén tương đương và lực kéo trong cốt thép cùng lớp composite TRC:

$$M_n = A_s f_s \left(d_s - \frac{\beta_1 c}{2}\right) + A_f f_{fe} \left(d_f - \frac{\beta_1 c}{2}\right)$$

Trong đó $f_{fe} = E_f \epsilon_{fe}$ là ứng suất kéo hiệu dụng trong cốt lưới dệt khi phá hoại; biến dạng kéo hiệu dụng $\epsilon_{fe}$ bị khống chế bởi biến dạng giới hạn $\epsilon_{fd}$ để ngăn ngừa phá hoại giòn do trượt dính bám hoặc tập trung ứng suất tại vết nứt; hệ số giảm sức kháng $\phi$ được xác định theo trạng thái biến dạng kéo $\epsilon_t$ của cốt thép.

  • Mô hình xác định sức kháng cắt: Sức kháng cắt danh định $V_n$ của dầm tăng cường TRC được xác định bằng tổng đóng góp của bê tông dầm ($V_c$), cốt thép đai ($V_s$) và lớp cốt lưới dệt TRC ($V_f$):

$$V = V_c + V_s + V_f$$

Đóng góp của lưới sợi TRC được xác định thông qua hàm lượng cốt lưới sợi theo phương ngang $\rho_{fv}$, ứng suất kéo hiệu dụng trong các bó sợi ngang $f_{fv}$, diện tích làm việc và góc nghiêng của thanh nén bê tông $\theta$ truyền qua vết nứt xiên.

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm xác định ứng xử chịu lực của dầm bê tông cốt thép được tăng cường bằng bê tông cốt lưới dệt

Chương 3 trình bày toàn bộ quá trình thực nghiệm tại phòng thí nghiệm:

  • Nghiên cứu tính chất cơ học vật liệu:
    • Bê tông hạt mịn được chế tạo từ xi măng, cát thạch anh phân cấp hạt mịn, bột thạch anh nghiền mịn, muội silic và phụ gia siêu dẻo. Kết quả thí nghiệm xác định cường độ chịu nén đạt từ 50 đến trên 60 MPa, cường độ kéo khi uốn đạt từ 4,5 đến 6,0 MPa, mô đun đàn hồi $E_c$ đạt xấp xỉ 28.000–32.000 MPa.
    • Lưới sợi carbon có độ mịn 1600 tex thể hiện quan hệ ứng suất - biến dạng kéo một trục gần như tuyến tính tuyệt đối đến khi đứt, cường độ kéo đạt xấp xỉ 3000 MPa, mô đun đàn hồi $E_f$ đạt khoảng 230–240 GPa.
    • Thí nghiệm kéo tuột (pull-out test) xác định quan hệ lực - chuyển vị trượt giữa bó sợi carbon và bê tông hạt mịn.
    • Thí nghiệm kéo trượt tấm TRC trên khối bê tông nền theo khuyến nghị RILEM 250-CSM cho thấy cường độ dính bám tiếp xúc đạt trên 1,5 MPa khi bề mặt bê tông nền được đục nhám và tạo ẩm đúng quy trình; dạng phá hoại chủ yếu là trượt tuột bó sợi bên trong ma trận bê tông hạt mịn (dạng D).
  • Thí nghiệm dầm chịu uốn: Tiến hành trên các mẫu dầm BTCT đối chứng và dầm tăng cường TRC (BF1 tăng cường 1 lớp lưới, BF2 tăng cường 2 lớp lưới). Kết quả cho thấy dầm tăng cường TRC có độ cứng sau nứt tăng đáng kể, mức tải trọng gây nứt tăng, tải trọng chảy của cốt thép và tải trọng cực hạn tăng rõ rệt (tăng từ 15% đến trên 35% tùy số lớp lưới). Số lượng vết nứt uốn phân bố dày hơn với bề rộng vết nứt nhỏ hơn nhiều so với dầm không tăng cường.
  • Thí nghiệm dầm chịu cắt: Dầm tăng cường kháng cắt bằng lớp TRC bọc chữ U (mẫu BS1) cho thấy sức kháng cắt tăng đáng kể so với dầm đối chứng thiếu cốt đai, khống chế được sự phát triển mở rộng của các vết nứt xiên.
  • Kiểm chứng mô hình tính toán: So sánh kết quả tính toán giải tích từ Chương 2 với dữ liệu đo thực nghiệm của luận án và dữ liệu thực nghiệm của Weiland (2009) cho thấy sự trùng khớp cao về đường cong quan hệ lực - độ võng giữa nhịp cũng như giá trị sức kháng cực hạn (sai số dưới 10%).

Chương 4: Nghiên cứu mô phỏng số

Chương 4 thực hiện mô phỏng số bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) nhằm mở rộng phân tích các dầm đã thí nghiệm:

  • Thiết lập mô hình FEM: Khai báo mô hình dầm tăng cường uốn (BF1-FEM) và dầm tăng cường cắt (BS1-FEM). Mô hình hóa bê tông dầm và bê tông hạt mịn bằng phần tử khối 3D phi tuyến (solid elements), cốt thép và lưới sợi dệt bằng phần tử thanh (truss/beam elements), thiết lập ràng buộc dính bám (embedded region và cohesive contact) giữa các bề mặt tiếp xúc.
  • Kiểm chứng mô hình số: Biểu đồ quan hệ lực - độ võng giữa nhịp, sự phân bố ứng suất Von-Mises trong bê tông, cốt thép và cốt lưới dệt, cũng như quy luật phát triển vùng phá hoại trong mô hình FEM phù hợp chặt chẽ với kết quả đo thực nghiệm.
  • Khảo sát tham số ảnh hưởng đến dầm tăng cường uốn:
    • Hàm lượng cốt lưới dệt: Tăng số lớp lưới sợi làm tăng độ cứng sau nứt và sức kháng uốn cực hạn của dầm. Tuy nhiên, hiệu số tăng cường có hiệu của từng lớp lưới có xu hướng giảm dần khi tăng số lớp do hiện tượng trượt dính bám giữa các lớp sợi bên trong.
    • Hàm lượng cốt thép dọc dầm gốc: Hiệu quả gia cường của lớp TRC thể hiện rõ rệt nhất ở các dầm có hàm lượng cốt thép dọc thấp. Khi hàm lượng cốt thép dọc trong dầm ban đầu cao, mức độ cải thiện khả năng chịu lực của TRC giảm xuống do vùng bê tông nén dễ bị phá hoại sớm trước khi lưới sợi phát huy hết cường độ kéo.
    • Cường độ chịu nén của bê tông dầm gốc: Bê tông dầm gốc có cấp độ bền cao hơn (ví dụ bê tông C28 so với cấp độ bền thấp hơn) giúp tăng khả năng chịu nén của dầm, tạo điều kiện để lớp TRC phát huy tối đa ứng suất kéo hiệu dụng, giảm thiểu nguy cơ bong tách sớm bề mặt bê tông nền.

Kết quả và những đóng góp mới

  1. Về mặt lý luận và phương pháp tính toán:

    • Xây dựng thành công hai mô hình giải tích xác định toàn bộ quá trình làm việc uốn của dầm BTCT được tăng cường bằng TRC, coi TRC là vật liệu composite quy đổi có xét đến quá trình hình thành, phát triển vết nứt và hiệu ứng cứng hóa chịu kéo của bê tông hạt mịn giữa các vết nứt.
    • Thiết lập mô hình giải tích cho dầm được tăng cường khi đang duy trì tải trọng khai thác (kết cấu đã nứt hoặc chưa nứt trước khi gia cường), phản ánh chính xác điều kiện làm việc thực tế của công tác sửa chữa, tăng cường công trình.
    • Đề xuất mô hình thiết kế xác định sức kháng uốn và sức kháng cắt của kết cấu dầm BTCT tăng cường bằng TRC và kết cấu lai (hybrid) phù hợp với hệ thống tiêu chuẩn thiết kế hiện hành tại Việt Nam.

  2. Về mặt thực nghiệm và cơ sở dữ liệu:

    • Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm toàn diện đầu tiên tại Việt Nam về: tính chất cơ lý của bê tông hạt mịn mác cao tự chế tạo; đặc trưng cơ học của lưới sợi carbon 1600 tex; đặc tính dính bám kéo tuột giữa sợi và bê tông hạt mịn; đặc tính dính bám tiếp xúc kéo trượt giữa tấm TRC và bề mặt bê tông nền theo chỉ dẫn RILEM 250-CSM.
    • Cung cấp dữ liệu thực nghiệm kiểm chứng về ứng xử chịu uốn, chịu cắt, biến dạng và hình thái nứt của dầm BTCT tăng cường bằng TRC.

  3. Về mặt mô phỏng số và ứng dụng thực tiễn:

    • Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn phi tuyến mô phỏng chính xác sự làm việc của kết cấu dầm tăng cường TRC; xác lập định lượng mức độ ảnh hưởng của các tham số (hàm lượng lưới sợi, hàm lượng thép dọc, cường độ bê tông dầm) đến hiệu quả gia cường.
    • Đưa ra các khuyến cáo kỹ thuật cho công tác thiết kế và thi công tăng cường dầm BTCT bằng phương pháp trát thủ công lớp TRC trong điều kiện Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của nghiên cứu:
    • Nghiên cứu thực nghiệm và mô hình tính toán chỉ giới hạn đối với kết cấu dầm đơn giản chịu tác dụng của tải trọng tĩnh đơn thuần; chưa xét đến tải trọng lặp, tải trọng mỏi, rung động hoặc tải trọng va chạm.
    • Phạm vi cấp phối bê tông hạt mịn khảo sát có cường độ chịu nén khống chế đến 60 MPa và sử dụng duy nhất loại lưới sợi dệt carbon 1600 tex cường độ 3000 MPa.
    • Phương pháp thi công lớp TRC trong nghiên cứu mới dừng lại ở kỹ thuật trát thủ công, chưa nghiên cứu công nghệ phun bê tông hạt mịn áp lực cao trong điều kiện công nghiệp hóa.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo:
    • Mở rộng nghiên cứu ứng xử của dầm BTCT tăng cường bằng TRC dưới tác dụng của tải trọng động, tải trọng mỏi chu kỳ cao và tải trọng va chấn.
    • Nghiên cứu ứng xử dài hạn của kết cấu tăng cường bằng TRC trong môi trường xâm thực biển nhiệt đới ẩm, chu kỳ khô - ướt và tác động ăn mòn ion clo.
    • Nghiên cứu ứng dụng TRC để tăng cường cho các dạng cấu kiện kết cấu khác như cột chịu nén lệch tâm, nút khung, bản sàn hai phương và cấu kiện chịu xoắn.
    • Phát triển thiết bị và quy trình công nghệ thi công phun TRC cơ giới hóa tại hiện trường.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên khảo có giá trị cao đối với:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Kỹ thuật Xây dựng, Công trình Giao thông: Tham khảo phương pháp luận kết hợp lý thuyết giải tích, thực nghiệm vật lý và mô phỏng số FEM; các mô hình tính toán ứng xử phi tuyến của vật liệu composite gốc xi măng.
  • Kỹ sư thiết kế, tư vấn thẩm tra kết cấu công trình: Tham khảo quy trình tính toán kiểm toán sức kháng uốn, sức kháng cắt và công thức xác định chiều dài dính bám neo khi lập phương án sửa chữa, nâng cấp dầm BTCT cũ.
  • Các cơ quan quản lý và viện nghiên cứu chuyên ngành: Làm cơ sở khoa học và dữ liệu thực chứng phục vụ công tác biên soạn tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật và chỉ dẫn thi công - nghiệm thu vật liệu bê tông cốt lưới dệt (TRC/TRM/FRCM) tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu TRC có ưu điểm gì nổi bật so với giải pháp dán bản FRP truyền thống bằng keo epoxy?
TRC sử dụng chất nền vô cơ là bê tông hạt mịn thay cho keo hữu cơ epoxy, do đó có khả năng chịu nhiệt độ cao và chống cháy tốt hơn (đáp ứng cấp F30–F60), tương thích biến dạng nhiệt với bê tông nền, cho phép thoát ẩm tự nhiên không gây đọng sương làm mục bề mặt tiếp xúc, không phát tán khói độc khi hỏa hoạn và có thể thi công trên bề mặt ẩm ướt.

2. Tại sao cường độ chịu kéo của bó sợi dệt khi đặt trong bê tông lại thấp hơn cường độ của sợi đơn cơ bản?
Theo kết quả trích dẫn từ Curbach (2006) và Papanicolaou (2007), hiện tượng suy giảm cường độ xảy ra do các sợi cơ bản bên trong lõi bó sợi không tiếp xúc trực tiếp với bê tông (dính bám trong kém) dẫn đến trượt sợi; sự phân bố biến dạng không đồng đều trên tiết diện bó sợi; các hư hỏng cơ học cục bộ xuất hiện tại mép vết nứt bê tông và tác động ứng suất cắt tập trung tại vị trí uốn gập của lưới sợi.

3. Luận án giải quyết trạng thái dầm đang chịu lực khi tăng cường như thế nào?
Luận án xây dựng mô hình giải tích phân chia quá trình làm việc thành các pha cụ thể, trong đó xác định trạng thái ứng suất và biến dạng ban đầu $\epsilon_{bi}$ ở thớ đáy dầm dưới tác dụng của tải trọng duy trì trước khi trát TRC. Khi gia tải tiếp sau khi lớp TRC đông kết, biến dạng trong lưới sợi chỉ bắt đầu tích lũy từ thời điểm này, giúp phản ánh chính xác khả năng chịu tải thực tế và ngăn ngừa việc đánh giá quá cao sức kháng của kết cấu.

4. Thí nghiệm dính bám tiếp xúc giữa TRC và bê tông nền trong luận án tuân theo chỉ dẫn nào và cho kết quả ra sao?
Thí nghiệm được thực hiện theo khuyến nghị của Ủy ban Kỹ thuật RILEM 250-CSM (2018) bằng phương pháp kéo trượt đơn. Kết quả cho thấy cường độ dính bám tiếp xúc đạt trên 1,5 MPa khi bề mặt bê tông được tạo nhám cơ học đúng quy định, đáp ứng yêu cầu của tiêu chuẩn Hoa Kỳ ACI 549.4R-13 (yêu cầu $\ge 1,38$ MPa) và tiêu chuẩn Đức Zulassung Z-31.10-182 (yêu cầu $\ge 1,5$ MPa).

Kết luận

Luận án của tác giả Nguyễn Huy Cường là công trình nghiên cứu chuyên sâu, hệ thống và toàn diện về việc ứng dụng bê tông cốt lưới dệt (TRC) để tăng cường sức kháng uốn và sức kháng cắt cho dầm bê tông cốt thép tại Việt Nam. Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa xây dựng mô hình giải tích (có xét đến trạng thái dầm đang chịu lực), kiểm chứng thực nghiệm vật lý từ cấp độ vật liệu đến cấu kiện và phân tích mô phỏng số FEM phi tuyến, luận án đã làm sáng tỏ cơ chế làm việc liên hợp phức tạp giữa lưới sợi carbon, bê tông hạt mịn và kết cấu bê tông cốt thép nền. Các kết quả và đề xuất tính toán của luận án cung cấp cơ sở khoa học quan trọng, đóng góp thiết thực cho việc ứng dụng vật liệu TRC vào công tác sửa chữa, gia cường và nâng cao tuổi thọ công trình xây dựng.