Khảo Sát Ứng Xử Bám Dính Của Tấm CFRP Với Bê Tông Chịu Tải

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng khảo sát ứng xử bám dính của tấm CFRP với bê tông dưới tải trọng lặp, cung cấp kiến thức chuyên sâu.

• Tác giả: Hoàng Anh Tuấn
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Minh Long
• Trường học: Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Xử Bám Dính Của Tấm CFRP Với Bê Tông Trong Xây Dựng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• 1. Chương 1: Đặt vấn đề
• 1.1. Giới thiệu
• 1.2. Vật liệu polymer cốt sợi gia cường
• 1.3. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
• 1.4. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam
• 1.5. Ý nghĩa của đề tài nghiên cứu
• 2. Chương 2: Tổng quan
• 2.1. Giới thiệu về vật liệu FRP
• 2.2. Bam dính giữa FRP và bê tông
• 2.3. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
• 2.4. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam
• 2.5. Ý nghĩa của đề tài nghiên cứu
• 3. Chương 3: Phân tích thực nghiệm
• 3.1. Chương trình thực nghiệm
• 3.2. Vai trò của các-bon và keo epoxy
• 3.3. Mẫu thí nghiệm
• 3.4. Dán tam gia cường
• 3.5. Quy trình thực nghiệm
• 3.6. Kết quả thực nghiệm
• 4. Chương 4: Xây dựng mô hình và kiểm chứng
• 4.1. Các mô hình bám dính — trượt hiện nay
• 4.2. Phương pháp xây dựng mô hình
• 4.3. Xây dựng mô hình ứng suất bám dính — trượt mới
• 4.4. Ứng suất bám dính lớn nhất
• 4.5. Độ trượt tương ứng
• 5. Kết luận và kiến nghị
• 5.1. Kết luận
• 5.2. Kiến nghị
• 6. Tài liệu trích dẫn

Tóm tắt

I. Tổng quan Vật liệu CFRP và Ứng dụng trong Xây dựng 55

Vật liệu CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) là một loại vật liệu composite được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng hiện đại. CFRP kết hợp sợi CFRP có cường độ cao với vật liệu nền polymer, tạo ra vật liệu có đặc tính vượt trội: nhẹ, cường độ cao, khả năng chống ăn mòn tốt. Nhờ những ưu điểm này, CFRP được sử dụng để gia cố bê tông bằng CFRP, sửa chữa bê tông bằng CFRP, và tăng cường kết cấu trong nhiều loại công trình. Đặc biệt, khả năng bám dính tốt của CFRP với bê tông là yếu tố then chốt đảm bảo hiệu quả gia cường kết cấu. Một số nghiên cứu chỉ ra rằng, hiệu quả gia cường của vật liệu CFRP phụ thuộc rất lớn vào khả năng bám dính của vật liệu này với kết cấu bê tông được gia cường. (Đại học Quốc Gia TP.HCM)

1.1. Ưu điểm vượt trội của vật liệu composite CFRP

Vật liệu composite CFRP nổi bật với tỷ lệ cường độ trên trọng lượng cao, vượt trội so với thép truyền thống. Khả năng chống ăn mòn của CFRP giúp kéo dài tuổi thọ công trình. Quá trình thi công CFRP đơn giản, giảm thời gian và chi phí so với các phương pháp truyền thống. Các tính chất cơ học vượt trội của CFRP đảm bảo khả năng chịu tải cao hơn cho các kết cấu bê tông được gia cường. CFRP còn có khả năng tùy biến hình dạng linh hoạt, phù hợp với nhiều hình dạng kết cấu khác nhau.

1.2. Ứng dụng CFRP trong gia cố kết cấu bê tông cốt thép

CFRP được ứng dụng rộng rãi trong gia cố bê tông cốt thép, đặc biệt trong các công trình xây dựng cầu và xây dựng nhà cao tầng. Vật liệu này được sử dụng để tăng cường khả năng chịu tải, sửa chữa các hư hỏng do ăn mòn hoặc quá tải, và kéo dài tuổi thọ công trình. Các biện pháp thi công CFRP cũng ngày càng được cải tiến để đảm bảo chất lượng và hiệu quả gia cường. CFRP có thể được dán ngoài (externally bonded) hoặc chèn gần bề mặt (near-surface mounted) tùy thuộc vào yêu cầu của dự án.

II. Thách thức về Bám dính CFRP Bê tông trong Xây dựng 58

Mặc dù CFRP mang lại nhiều lợi ích, ứng xử bám dính giữa tấm CFRP và bê tông vẫn là một thách thức lớn. Sự phá hoại tại giao diện CFRP-bê tông có thể xảy ra, làm giảm hiệu quả gia cường. Các yếu tố như độ ẩm ảnh hưởng đến bám dính, nhiệt độ ảnh hưởng đến bám dính, và môi trường ảnh hưởng đến bám dính đều có thể tác động tiêu cực đến cường độ bám dính. Việc hiểu rõ cơ chế ứng xử bám dính và các yếu tố ảnh hưởng là rất quan trọng để đảm bảo độ bền liên kết CFRP-bê tông và hiệu quả gia cường lâu dài. Các yếu tố này cần được xem xét kỹ lưỡng trong quá trình thiết kế và thi công.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ bám dính CFRP Bê tông

Độ nhám bề mặt bê tông, chất lượng chất kết dính epoxy, và kỹ thuật dán CFRP đều ảnh hưởng đến cường độ bám dính. Xử lý bề mặt bê tông đúng cách là rất quan trọng để tạo ra liên kết CFRP-bê tông vững chắc. Chất lượng CFRP và quy trình kiểm tra chất lượng CFRP cũng cần được đảm bảo. Ngoài ra, sự hiện diện của các chất gây ô nhiễm trên bề mặt bê tông cũng có thể làm giảm cường độ bám dính.

2.2. Ứng xử phá hoại tại giao diện CFRP Bê tông Cơ chế và dạng phá hoại

Ứng xử phá hoại tại giao diện CFRP-bê tông có thể xảy ra theo nhiều cách, bao gồm phá hoại dính kết (adhesive failure), phá hoại kết dính (cohesive failure), và phá hoại lớp bê tông gần bề mặt. Cơ chế phá hoại phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm cường độ bê tông, cường độ bám dính, và ứng suất tiếp tại giao diện. Hiểu rõ các dạng phá hoại giúp lựa chọn các giải pháp gia cường phù hợp.

III. Phương pháp Thử nghiệm Bám dính CFRP Bê tông hiệu quả 56

Để đánh giá ứng xử bám dính của CFRP với bê tông, nhiều phương pháp thử nghiệm bám dính đã được phát triển. Các phương pháp phổ biến bao gồm thử nghiệm kéo trượt (shear test), thử nghiệm kéo trực tiếp (tensile test), và thử nghiệm uốn (bending test). Mỗi phương pháp có ưu điểm và hạn chế riêng. Kết quả thử nghiệm giúp xác định cường độ bám dính, độ bền liên kết, và các thông số quan trọng khác để đánh giá hiệu quả gia cường. Các kết quả này là cơ sở để xây dựng mô hình hóa bám dính và dự đoán ứng xử của kết cấu.

3.1. Thử nghiệm kéo trượt một mặt Single Shear Pull out Test

Phương pháp thử nghiệm kéo trượt một mặt (Single-Shear Pull-out Test) là một trong những phương pháp phổ biến nhất để đánh giá ứng xử bám dính. Phương pháp này mô phỏng ứng suất cắt tại giao diện CFRP-bê tông. Kết quả thử nghiệm cung cấp thông tin về ứng suất tiếp, trượt tương đối, và cường độ bám dính. Phương pháp này tương đối đơn giản và dễ thực hiện, nhưng cần kiểm soát chặt chẽ các yếu tố ảnh hưởng.

3.2. Thu thập và phân tích dữ liệu từ thử nghiệm bám dính CFRP

Việc thu thập dữ liệu chính xác trong quá trình thử nghiệm bám dính là rất quan trọng. Các cảm biến lực, cảm biến chuyển vị, và hệ thống thu thập dữ liệu được sử dụng để ghi lại các thông số quan trọng. Dữ liệu thu thập được sau đó được phân tích để xác định cường độ bám dính, độ trượt, và các thông số khác. Các phương pháp phân tích thống kê và đồ thị được sử dụng để biểu diễn và giải thích kết quả.

IV. Mô hình hóa Ứng xử Bám dính CFRP Bê tông Cách tiếp cận 59

Để dự đoán ứng xử bám dính của CFRP với bê tông, các mô hình hóa bám dính đã được phát triển. Các mô hình này dựa trên các nguyên lý cơ học và kết quả thử nghiệm. Mục tiêu của mô hình hóa là xây dựng các phương trình toán học mô tả mối quan hệ giữa ứng suất, trượt, và các yếu tố khác. Các mô hình này giúp kỹ sư dự đoán khả năng chịu tải và ứng xử phá hoại của kết cấu.

4.1. Mô hình ứng suất bám dính trượt Bond Stress Slip Model

Mô hình ứng suất bám dính - trượt (Bond Stress-Slip Model) là một trong những loại mô hình phổ biến nhất. Mô hình này mô tả mối quan hệ giữa ứng suất tiếp tại giao diện và độ trượt tương đối. Các mô hình này có thể là tuyến tính, phi tuyến, hoặc kết hợp cả hai. Việc lựa chọn mô hình phù hợp phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu và điều kiện tải trọng.

4.2. Phân tích phần tử hữu hạn FEA mô phỏng ứng xử bám dính

Phân tích phần tử hữu hạn (FEA) là một công cụ mạnh mẽ để mô phỏng ứng xử bám dính. FEA cho phép mô hình hóa chi tiết giao diện CFRP-bê tông và dự đoán ứng suất, biến dạng, và ứng xử phá hoại. Phần mềm mô phỏng bám dính chuyên dụng giúp kỹ sư hiểu rõ hơn về cơ chế làm việc của kết cấu và tối ưu hóa thiết kế gia cường.

V. Nghiên cứu Thực nghiệm Ứng xử Bám dính Tấm CFRP chịu tải 57

Nghiên cứu này tập trung vào khảo sát thực nghiệm ứng xử bám dính của tấm CFRP với bê tông chịu tải trọng tĩnh và lặp. Các mẫu thí nghiệm được thiết kế với các biến số như bề rộng tấm, cường độ bê tông, và loại chất kết dính. Kết quả nghiên cứu cung cấp thông tin quan trọng về ảnh hưởng của các yếu tố này đến cường độ bám dính, độ bền liên kết, và ứng xử phá hoại.

5.1. Ảnh hưởng của bề rộng tấm CFRP đến ứng xử bám dính

Nghiên cứu này cho thấy bề rộng tấm CFRP có ảnh hưởng đáng kể đến ứng xử bám dính. Khi bề rộng tấm tăng lên, ứng suất tiếp phân bố không đều và cường độ bám dính có xu hướng giảm. Điều này cần được xem xét trong thiết kế gia cường, đặc biệt khi sử dụng tấm CFRP có bề rộng lớn.

5.2. Ứng xử của liên kết CFRP bê tông dưới tác dụng tải trọng lặp

Nghiên cứu cũng khảo sát ứng xử của liên kết CFRP-bê tông dưới tác dụng tải trọng lặp. Kết quả cho thấy liên kết vẫn duy trì được khả năng chịu tải tốt sau nhiều chu kỳ tải. Tuy nhiên, hiện tượng suy giảm độ bền liên kết và tăng biến dạng cần được xem xét trong thiết kế cho các công trình chịu tải trọng động.

VI. Kết luận và Hướng Nghiên cứu Tương lai về CFRP 52

Nghiên cứu này đã cung cấp những hiểu biết sâu sắc về ứng xử bám dính của CFRP với bê tông trong xây dựng. Kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để cải thiện thiết kế gia cường và đảm bảo độ bền liên kết lâu dài. Các hướng nghiên cứu tương lai bao gồm phát triển các vật liệu CFRP mới, cải tiến phương pháp thử nghiệm, và xây dựng các mô hình chính xác hơn để dự đoán ứng xử của kết cấu.

6.1. Đề xuất cải tiến kỹ thuật dán CFRP và xử lý bề mặt bê tông

Dựa trên kết quả nghiên cứu, một số đề xuất cải tiến kỹ thuật dán CFRP và xử lý bề mặt bê tông được đưa ra. Các đề xuất này bao gồm sử dụng chất kết dính epoxy có độ nhớt thấp, tăng cường độ nhám bề mặt bê tông, và kiểm soát chặt chẽ điều kiện môi trường trong quá trình thi công.

6.2. Hướng nghiên cứu mới về vật liệu CFRP và chất kết dính

Các hướng nghiên cứu mới bao gồm phát triển các vật liệu CFRP tự phục hồi, sử dụng chất kết dính có khả năng chống chịu môi trường khắc nghiệt, và tích hợp các cảm biến vào tấm CFRP để theo dõi ứng xử của kết cấu trong thời gian thực.

Nội dung chính

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.

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.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: ĐẶT VAN DE liệu FRP dán ngoài hiện nay như ACI 440.2R (2017) và CNR-DT200 (2013) van chưa có các chỉ dẫn rõ ràng về trường hợp tải lặp. Các công thức tính toán chủ yếu van dựa trên các nghiên cứu thực nghiệm tải tinh, cùng với các hệ số ảnh hưởng dài hạn định sẵn nếu không có số liệu thực nghiệm cụ thé (Daud et al. Trong khi, dưới tác dụng của tải trọng lặp, hiện tượng biến dạng dư của lớp keo nền (chất kết dính giữa tấm CFRP với bề mặt bê tông) có thé xảy ra do sự tích lũy biến dạng của lớp keo nền qua từng chu ky lặp; điều này gây nên sự gia tăng độ trượt của tam FRP và làm suy giảm khả năng bám dính của nó. Các vẫn đề vừa nêu trên cho thấy rất cần có những nghiên cứu liên quan đến việc khảo sát và đánh giá ảnh hưởng của bề rộng tam đến ứng xử bám dính của tm FRP, đặc biệt với kết cau gia cường chịu tai lặp; đồng thời cần thiết xem xét cả ảnh hưởng của tương tác giữa tim FRP và cường độ bê tông đến khả năng bám dính nói riêng và hiệu quả gia cường của tấm FRP khi chịu tải lặp.

Đề tài này khảo sát và phân tích thực nghiệm ảnh hưởng của bề rộng tấm polymer cốt sợi carbon (CFRP) và cường độ bê tông đến ứng xử bám dính của tam CFRP với bê tông dưới tác dụng của tải trọng tĩnh đơn điệu va tải trọng lặp. Dựa trên kết quả thực nghiệm và mô hình lý thuyết từ một số nghiên cứu đã có, mô hình ứng suất bám dính - trượt tong quát của tam CFRP với bê tông được thiết lập phục vụ cho công tác nghiên cứu và tính toán trong lĩnh vực gia cường va sửa chữa kêt câu BTCT. CHƯƠNG 2: TÔNG QUAN Chương 2. _ Giới thiệu về vật liệu polymer cốt sợi gia cường 2.

Sơ lược về vật liệu FRP Vật liệu polymer cốt soi (Fiber Reinforced Polymer - FRP) là vật liệu composite gồm hai thành phan chính là cốt sợi (reinforcement) và vật liệu nền (matrix material). Sợi gia cường có thể là thủy tỉnh, carbon, aramid. quyết định tính chất, cường độ của FRP. Vật liệu nền thường làm từ nhựa polymer, ví dụ như epoxy.

Tùy vào nhu cầu sử dụng, vật liệu FRP có thể được sản xuất dưới dạng thanh hoặc tắm. Với đặc tính cường độ kéo cao, trọng lượng nhẹ, không bị ăn mòn vật liệu FRP thường được ứng dụng trong ngành chế tạo máy bay, ô tô, xây dung,. Vật liệu nền và chất kết dính trong vật liệu FRP là một loại nhựa polymer nhiệt ran (resin). Tuy thudc vao nhu cau str dung, điều kiện môi trường (nhiệt độ, độ âm,.), các loại nhựa thường được sử dụng là Epoxy, Polyester.

Epoxy có đặc trưng kháng âm, các chất hóa học, và có đặc tính kết dính tốt nên đây là loại nhựa thường được sử dụng nhất trong ứng dụng vật liệu FRP ngành xây dựng: Polyester có độ nhớt thấp hơn so với nhựa epoxy, tính hoạt hóa cao, nhưng độ bên cơ học và đặc tính kết dính thường thấp hơn so với các loại nhựa epoxy. Chất kết dính liên kết vật liệu FRP với vật liệu được gia cường và còn liên kêt các tâm FRP với nhau.1: Một số dạng FRP thông dụng trong ngành xây dựng: (a) dạng tâm; (b) dạng dải; (c) dạng thanh CHƯƠNG 2: TONG QUAN Mặc dù chi phi san xuất cốt sợi va nhựa tương đối đắt so với các vật liệu truyền thống như bê tông và thép, nhưng chi phí nhân công và thiết bị dé lap đặt hệ gia cường FRP thường thấp hơn. FRP thường được áp dụng trong các khu vực mà các kỹ thuật truyền thống khó thực hiện. Vật liệu FRP ngoài ưu điểm về cường độ, trọng lượng, khả năng chống ăn mòn ma còn đơn giản trong thi công, đảm bảo được tính thắm mỹ, tiết kiệm chỉ phí và thời gian hơn so với một số phương pháp truyền thống (căng sau bên ngoài — external posf-tensioning, gia cường bằng bản thép, tăng kích thước tiết diện) hay thay thế, xây mới một kết cau.

Tam FRP cốt soi carbon (CFRP) thường được sử dụng rộng rãi trong công tác gia cường cho kết cầu nhờ những tính chất nồi trội hơn so với các loại cốt sợi khác (Hình 2. Soi carbon có module đàn hỏi va độ bên rất cao theo phương của sợi, nhưng thấp hơn nhiều theo phương ngang (ứng xử dị hướng). Sợi carbon có ứng xử phá hoại giòn với khả năng hấp thụ năng lượng tương đối thấp; tuy nhiên, giới hạn bền lớn hơn so với sợi thủy tinh và sợi aramid (Hình 2. Soi carbon ít nhạy với từ biến và mỏi, và độ bền kéo chỉ giảm nhẹ theo thời gian (CNR DT200, 2013).

CHƯƠNG 2: TÔNG QUAN S000 4000 - Carbon (AS4) Carbon (1300) S-Glass 3000 F Aramid [StMrePsa] (Kevlar? 49) ⁄ 2000 E-Glass 1000 fF > 4 Deformation [°o] Hình 2.3: Quan hệ ứng suất - bién dang của vat liệu FRP (CNR DT200, 2013) Bang 2.1: So sánh thuộc tính cua cét soi, keo va thép [giá trị điển hình theo CNR DT200 (2013)] Young’s Cường độ Biến dạng Hệ số giãn Trọng Modulus kéo phá hoại nở nhiệt lượng E on E. Ol riéng p [Gpa] [Mpa] [2l [l0°°CT] [g/cm] E-glass 70 — 80 2000 — 3500 3.8 (yield) 350-600 (failure) CHƯƠNG 2: TONG QUAN Bang 2.2: Ti số di hướng tam FRP một phương (CNR DT200, 2013) Ei/E Ei/Gi 6,,/6,, a,/a, S-Glass/epoxy 2. Bám dính giữa FRP và bê tông Quan hệ bám dính của tâm FRP và bê tông là một yếu tố quan trọng trong kiểm soát ứng xử chịu lực của kết cầu BTCT gia cường với vật liệu FRP (Yao et al. Gia cường kết câu với FRP đòi hỏi việc lựa chọn sử dụng chất kết dính phù hợp cũng như công tác xử lý bề mặt dựa trên cơ sở vật liệu cần gia cường (bê tông) và các thuộc tính của loại FRP chuẩn bị triển khai.

Chất kết dính là một vật liệu có khả năng tạo ra liên kết giữa Ít nhất hai bề mặt và có thé chia sé tải trọng. Có rất nhiều loại chất kết dính tự nhiên và tong hợp như chất đàn hồi, nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệt ran đơn hoặc 2 thành phần (mono/bi-component); keo dán phù hợp nhất cho vật liệu FRP dùng cho kết cầu thường dựa trên nhựa epoxy 2 thành phan. Có rất nhiều ưu điểm trong việc sử dụng chất kết dính so với sử dụng neo cơ khí, như khả năng liên kết nhiều loại vật liệu khác nhau, cho độ cứng lớn hon, phân bố tải đồng đều và tránh tập trung ứng suất tại lỗ neo. Tuy nhiên, chất kết dính rất nhạy cảm với điều kiện môi trường, chăng hạn như độ âm và không thích hợp khi tiếp xúc với nhiệt độ cao.

Chen and Teng (2001) phân loại nguyên nhân phá hoại của kết cau BTCT gia cường với CFRP thành ba dạng chính: (’) mat bám dính giữa CFRP và bê tông: (ii) phá hoại lớp keo epoxy do ứng suất cắt quá lớn hon so với sức kháng cắt của epoxy; và (iii) CFRP bị đứt dưới tác dụng của tải trọng kéo dọc trục. Tuy nhiên, CFRP bị đứt khi chịu kéo dọc trục là rất hiếm xảy ra do thực tế CFRP có cường độ kéo dọc trục rất cao. Trong nhiều trường hợp, CFRP mắt bám dính với bề mặt bê tông hoặc mặt tiếp xúc keo - bê tông đạt đến ứng suất cắt cực đại và bị phá hoại trước khi CFRP đút. Dang phá hoại có thé xảy ra nhất là dang (?) mat bám dính giữa CFRP và bê tông (Mertoglu et al.

CHƯƠNG 2: TÔNG QUAN CNR-DT200 (2013) phân loại kiểu phá hoại liên kết bám dính như sau (Hình 2.4): e Phá hoại lớp keo dán (Adhesive fracture): xảy ra tại mặt tiếp xúc giữa lớp chất kết dính và vật liệu (gia cường hoặc được gia cường). Bề mặt phá hoại thường phăng. Kiểu phá hoại này thường do dùng chất kết dính không đúng: e Phá hoại liên kết bám dính (Cohesive fracture): xảy ra bên trong một trong những vật liệu tạo thành liên kết. Bề mặt phá hoại có thé là phăng hoặc lởm chởm; e Pha hoại hỗn hop (Mixed fracture): xảy ra đồng thời 2 kiểu phá hoại kế trên, phá hoại ở cả chất kết dính và liên kết bám dính.

Bề mặt phá hoại thường lởớm chởm. ADHEREND ADHEREND ADHEREND ————— — S= -> — -—-¬ ADHEREND ADHEREND ADHEREND adhesive fracture cohesive fracture mixed fracture Hình 2.4: Các kiểu phá hoại kết cau gia cường FRP Theo CNR-DT200 (2013), khi gia cường kết cầu BTCT bang vật liệu FRP, vai trò bám dính giữa bê tông và vật liệu FRP ảnh hưởng rất lớn đến độ dòn của phá hoại cơ học do sự mat bám dính. Theo đó, phá hoại cơ học không được xảy ra trước phá hoại uốn hoặc cắt của kết câu được gia cường. Với kết cầu chịu uốn gia cường tam FRP có 4 dạng pha hoại như sau (Hình 2.5): e Dang 1: Mất bám dính ở đầu tam FRP; e Dang 2: Mất bám dính giữa tam do vết nứt do uốn; e Dang 3: Mất bám dính do các vết nứt xiên; e Dạng 4: Mat bám dính do bề mặt bê tông bị nhám, lom chom.

CHƯƠNG 2: TONG QUAN Cracked area l ‘og Mode 4 Í Crack-free area Area of largest ị Mode 1 Mode 2 bending momert Mode 3 Hình 2.5: Các dạng phá hoại kết cau BTCT gia cường FRP chịu uốn Theo ACI 440.2R (2017), sự phân bó thực tế của ứng suất bám dính trong tam FRP rất phức tap do bê tông bị nứt.6 thể hiện sự phân bố của ứng suất cat mặt tiếp xúc (Interfacial shear stress) và ứng suất dọc trục (Normal stress) dọc theo chiều dài dán của tam FRP khi bê tông chưa nứt. Tiêu chuẩn này dé cập hai dang phá hoại chính của kết cau gia cường như sau: e Tấm FRP bị mất bám dính: xảy ra tại vùng có vết nứt do uỗn hoặc cat, gân vùng moment cực đại. Kiểu phá hoại này rất thường xuất hiện trong vùng có tỷ lệ lực cat/moment lớn. e Tâm FRP bị bóc tách ở phía đầu tam: do sự phát triển của ứng suất kéo trượt tại đầu tắm FRP.

Tại đây nếu cốt thép không được cấu tạo hợp lý, còn có khả năng lớp bê tông bảo vệ bị tách ra dẫn đến sự bóc tách tam FRP khỏi kết cầu (Hình 2. End of FRP laminate ‘. Centerline of beam Interfacial shear stress CHƯƠNG 2: TÔNG QUAN ——>———| LÌ — FRP ¢ Hình 2.7: Kiểu phá hoại do lớp bê tông bảo vệ bị bóc tach (ACI 440.2R, 2017) Van đề xây dựng mô hình ứng suất bám dính — trượt cho liên kết FRP và bê tông là rất cần thiết để phục vụ cho các nghiên cứu chuyên sâu cũng như việc thực hành tính toán của các kỹ sư.