Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của ngành xây dựng tại Việt Nam, việc gia cố, sửa chữa và nâng cấp các công trình bê tông cốt thép (BTCT) trở thành nhu cầu cấp thiết nhằm đảm bảo an toàn và kéo dài tuổi thọ công trình. Vật liệu polymer cốt sợi gia cường (Fiber Reinforced Polymer - FRP), đặc biệt là tấm CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer), được ứng dụng rộng rãi nhờ ưu điểm cường độ kéo cao, trọng lượng nhẹ và khả năng chống ăn mòn. Tuy nhiên, hiệu quả gia cường phụ thuộc lớn vào khả năng bám dính giữa tấm CFRP và bê tông, trong đó yếu tố bề rộng tấm CFRP và cường độ bê tông đóng vai trò quan trọng.

Luận văn tập trung khảo sát thực nghiệm ảnh hưởng của bề rộng tấm CFRP và cường độ bê tông đến ứng xử bám dính giữa tấm CFRP và bê tông dưới hai điều kiện tải trọng: tĩnh đơn điệu và tải lặp. Chương trình thực nghiệm gồm 12 mẫu bê tông với 3 mức bề rộng tấm CFRP (50 mm, 100 mm, 150 mm) và 3 mức cường độ bê tông (khoảng 28 MPa, 48.4 MPa, 61 MPa). Mục tiêu nghiên cứu nhằm làm rõ ảnh hưởng của các biến số này đến cường độ bám dính, độ trượt và biến dạng của tấm CFRP, đồng thời xây dựng mô hình ứng suất bám dính - độ trượt tổng quát có tính đến các yếu tố trên.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc bổ sung kiến thức về ứng xử bám dính của tấm CFRP với bê tông, đặc biệt trong điều kiện tải lặp còn ít được khai thác. Về thực tiễn, kết quả giúp kỹ sư thiết kế và thi công gia cường kết cấu BTCT hiệu quả, an toàn và tiết kiệm chi phí, đồng thời hỗ trợ phát triển các tiêu chuẩn thiết kế gia cường bằng vật liệu FRP tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về vật liệu FRP và liên kết bám dính giữa tấm CFRP và bê tông. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Lý thuyết ứng suất bám dính - độ trượt (bond stress-slip model): Mô hình này mô tả quan hệ phi tuyến giữa ứng suất bám dính tại mặt tiếp xúc và độ trượt tương ứng của tấm CFRP so với bê tông. Mô hình được xây dựng dựa trên phương pháp hồi quy hàm dạng Popovics, có xét đến các tham số như bề rộng tấm, cường độ bê tông, độ cứng và chiều dài dán tấm.

  2. Lý thuyết vật liệu composite và cơ học kết cấu: Bao gồm đặc tính dị hướng của sợi carbon trong tấm CFRP, tính chất cơ học của keo epoxy làm chất kết dính, và ảnh hưởng của cường độ bê tông đến khả năng bám dính. Các khái niệm chính gồm:

    • Cường độ bám dính cực đại (maximum bond strength)
    • Độ trượt tương ứng với ứng suất bám dính lớn nhất (corresponding slip)
    • Ảnh hưởng của bề rộng tấm CFRP đến phân bố biến dạng và ứng suất
    • Ảnh hưởng của tải trọng lặp đến sự làm việc và biến dạng dư của tấm CFRP

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm với chương trình kéo trượt một mặt (Single-Shear Pull-Out Test - SSPO) trên 12 mẫu bê tông kích thước 500x200x150 mm, được gia cường bằng tấm CFRP có bề rộng 50 mm, 100 mm và 150 mm. Cường độ bê tông được chia thành 3 nhóm: khoảng 28 MPa (C25), 48.4 MPa (C45) và 61 MPa (C60). Trong đó, 9 mẫu chịu tải tĩnh đơn điệu với tốc độ gia tải 0.5 kN/s, 3 mẫu chịu tải lặp với tần số 3 Hz, biên độ tải 5-55% lực kéo lớn nhất, thực hiện 500,000 chu kỳ.

Dữ liệu thu thập gồm lực kéo, biến dạng tấm CFRP tại nhiều vị trí dọc và ngang tấm, độ trượt tại mặt tiếp xúc. Phân tích số liệu sử dụng phương pháp hồi quy phi tuyến để xây dựng mô hình ứng suất bám dính - độ trượt tổng quát, đồng thời so sánh với các mô hình hiện có để kiểm chứng độ chính xác.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 9/2017 đến tháng 6/2018, bao gồm giai đoạn chuẩn bị mẫu, thực nghiệm, xử lý số liệu và xây dựng mô hình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của bề rộng tấm CFRP:

    • Khi bề rộng tấm tăng từ 50 mm lên 150 mm, biến dạng lớn nhất, cường độ bám dính và độ trượt của tấm CFRP giảm dần.
    • Hiện tượng phân bố biến dạng không đều theo chiều ngang tấm xuất hiện rõ rệt với tấm rộng lớn, gây ra hiện tượng tách sợi (fiber splitting) và làm giảm hiệu quả bám dính.
    • Ví dụ, biến dạng lớn nhất giảm khoảng 20-30% khi bề rộng tấm tăng gấp ba lần.

  2. Ảnh hưởng của cường độ bê tông:

    • Cường độ bám dính và độ trượt tương ứng tăng theo cường độ bê tông.
    • Mẫu bê tông có cường độ khoảng 61 MPa cho cường độ bám dính cao hơn khoảng 25% so với mẫu 28 MPa.
    • Điều này cho thấy bê tông có cường độ cao giúp tăng khả năng truyền tải ứng suất tại mặt tiếp xúc.

  3. Ứng xử dưới tải trọng lặp:

    • Tấm CFRP làm việc ổn định dưới 500,000 chu kỳ tải lặp với biên độ 5-55% lực kéo cực đại, gần như không bị biến dạng dư (creep).
    • Biến dạng và năng lượng tiêu tán tăng đáng kể trong các chu kỳ đầu, sau đó ổn định ở các chu kỳ tiếp theo.
    • Điều này chứng tỏ khả năng chịu mỏi tốt của liên kết CFRP - bê tông trong điều kiện tải lặp.

  4. Mô hình ứng suất bám dính - độ trượt:

    • Mô hình đề xuất dựa trên phương pháp hồi quy Popovics có độ chính xác cao, phù hợp với dữ liệu thực nghiệm.
    • So sánh với các mô hình trước đây cho thấy mô hình mới phản ánh tốt hơn ảnh hưởng của bề rộng tấm và cường độ bê tông.
    • Sai số trung bình giữa giá trị dự đoán và thực nghiệm dưới 10%, hệ số biến thiên thấp.

Thảo luận kết quả

Các kết quả cho thấy bề rộng tấm CFRP là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến phân bố ứng suất và biến dạng, từ đó tác động đến khả năng bám dính và hiệu quả gia cường. Hiện tượng phân bố biến dạng không đều theo chiều ngang tấm rộng làm giảm độ tin cậy khi đánh giá ứng xử bám dính nếu bỏ qua yếu tố này. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về ảnh hưởng bề rộng tấm và cường độ bê tông.

Ứng xử bám dính dưới tải lặp ổn định chứng tỏ tấm CFRP có thể ứng dụng hiệu quả trong các kết cấu chịu tải trọng động hoặc tải trọng thay đổi theo thời gian. Mô hình ứng suất bám dính - độ trượt tổng quát được xây dựng giúp cải thiện độ chính xác trong thiết kế và mô phỏng kết cấu gia cường bằng CFRP, đặc biệt khi xét đến các yếu tố thực tế như bề rộng tấm và cường độ bê tông.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ quan hệ ứng suất bám dính - độ trượt, biểu đồ phân bố biến dạng dọc và ngang tấm CFRP, cũng như bảng so sánh kết quả thực nghiệm và mô hình dự đoán.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu bề rộng tấm CFRP trong thiết kế:

    • Khuyến nghị sử dụng tấm CFRP có bề rộng phù hợp, tránh quá lớn để hạn chế hiện tượng phân bố biến dạng không đều, nâng cao hiệu quả bám dính.
    • Thời gian áp dụng: ngay trong các dự án gia cường hiện tại.
    • Chủ thể thực hiện: kỹ sư thiết kế và thi công.

  2. Lựa chọn bê tông có cường độ phù hợp:

    • Ưu tiên sử dụng bê tông có cường độ từ khoảng 45 MPa trở lên để tăng cường độ bám dính và độ bền liên kết.
    • Thời gian áp dụng: trong công tác sửa chữa, nâng cấp công trình.
    • Chủ thể thực hiện: nhà thầu và chủ đầu tư.

  3. Áp dụng mô hình ứng suất bám dính - độ trượt tổng quát:

    • Sử dụng mô hình đề xuất để tính toán, mô phỏng chính xác hơn trong thiết kế gia cường kết cấu BTCT bằng CFRP.
    • Thời gian áp dụng: trong nghiên cứu và thiết kế kỹ thuật.
    • Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu, trường đại học, kỹ sư thiết kế.

  4. Nghiên cứu bổ sung về ứng xử bám dính dưới tải trọng lặp:

    • Khuyến khích mở rộng nghiên cứu thực nghiệm với số lượng mẫu lớn hơn, đa dạng điều kiện tải trọng và môi trường để hoàn thiện mô hình và tiêu chuẩn thiết kế.
    • Thời gian: dài hạn.
    • Chủ thể thực hiện: các tổ chức nghiên cứu, trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu:

    • Lợi ích: Áp dụng mô hình và kết quả nghiên cứu để thiết kế gia cường BTCT bằng CFRP chính xác, hiệu quả.
    • Use case: Thiết kế gia cố dầm, cột, sàn chịu tải trọng tĩnh và động.

  2. Nhà thầu thi công và giám sát:

    • Lợi ích: Hiểu rõ ảnh hưởng của bề rộng tấm và cường độ bê tông đến hiệu quả thi công, đảm bảo chất lượng liên kết.
    • Use case: Lựa chọn vật liệu, kiểm soát quy trình dán tấm CFRP.

  3. Nhà nghiên cứu và giảng viên:

    • Lợi ích: Tham khảo dữ liệu thực nghiệm, mô hình mới để phát triển nghiên cứu sâu hơn về vật liệu composite và gia cường kết cấu.
    • Use case: Phát triển đề tài nghiên cứu, giảng dạy chuyên ngành kỹ thuật xây dựng.

  4. Chủ đầu tư và quản lý dự án:

    • Lợi ích: Hiểu rõ hiệu quả và giới hạn của công nghệ gia cường bằng CFRP, từ đó ra quyết định đầu tư hợp lý.
    • Use case: Lập kế hoạch bảo trì, nâng cấp công trình.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao bề rộng tấm CFRP ảnh hưởng đến khả năng bám dính?
    Bề rộng tấm CFRP ảnh hưởng đến phân bố ứng suất và biến dạng trên mặt tiếp xúc với bê tông. Tấm rộng dễ gây phân bố biến dạng không đều, làm giảm cường độ bám dính và tăng nguy cơ tách sợi, ảnh hưởng đến hiệu quả gia cường.

  2. Cường độ bê tông có vai trò gì trong liên kết CFRP - bê tông?
    Cường độ bê tông quyết định khả năng chịu lực và truyền tải ứng suất tại mặt tiếp xúc. Bê tông có cường độ cao giúp tăng cường độ bám dính và độ bền liên kết, từ đó nâng cao hiệu quả gia cường.

  3. Mô hình ứng suất bám dính - độ trượt được xây dựng dựa trên cơ sở nào?
    Mô hình dựa trên phương pháp hồi quy hàm dạng Popovics, sử dụng dữ liệu thực nghiệm để xác định các tham số mô tả quan hệ phi tuyến giữa ứng suất bám dính và độ trượt, có xét đến bề rộng tấm và cường độ bê tông.

  4. Liên kết CFRP - bê tông chịu tải lặp có bền không?
    Nghiên cứu cho thấy liên kết này làm việc ổn định dưới 500,000 chu kỳ tải lặp với biên độ tải 5-55% lực cực đại, gần như không bị biến dạng dư, chứng tỏ khả năng chịu mỏi tốt.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế?
    Kết quả và mô hình có thể được sử dụng trong thiết kế kỹ thuật, lựa chọn vật liệu và quy trình thi công gia cường kết cấu BTCT bằng CFRP, giúp nâng cao độ an toàn và hiệu quả kinh tế.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã làm rõ ảnh hưởng đáng kể của bề rộng tấm CFRP và cường độ bê tông đến ứng xử bám dính giữa tấm CFRP và bê tông dưới tải tĩnh và tải lặp.
  • Bề rộng tấm CFRP tăng làm giảm biến dạng lớn nhất, cường độ bám dính và độ trượt, đồng thời gây phân bố biến dạng không đều theo chiều ngang tấm.
  • Cường độ bê tông tăng giúp nâng cao cường độ bám dính và độ trượt tương ứng.
  • Tấm CFRP làm việc ổn định dưới 500,000 chu kỳ tải lặp với biên độ tải 5-55% lực cực đại, không bị biến dạng dư đáng kể.
  • Mô hình ứng suất bám dính - độ trượt tổng quát được xây dựng có độ chính xác cao, hỗ trợ thiết kế và mô phỏng kết cấu gia cường bằng CFRP.

Next steps: Mở rộng nghiên cứu với số lượng mẫu lớn hơn, đa dạng điều kiện tải trọng và môi trường để hoàn thiện mô hình và áp dụng rộng rãi trong thiết kế kỹ thuật.

Call to action: Kỹ sư và nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng mô hình và kết quả nghiên cứu này để nâng cao hiệu quả và độ an toàn trong công tác gia cường kết cấu BTCT bằng vật liệu CFRP.