Tổng quan nghiên cứu

Trong lĩnh vực xây dựng, bê tông cốt thép (BTCT) là vật liệu chủ đạo được sử dụng rộng rãi nhờ khả năng chịu lực và độ bền cao. Tuy nhiên, trong quá trình khai thác, các công trình BTCT thường chịu tác động của tải trọng và điều kiện môi trường làm suy giảm khả năng chịu lực, dẫn đến nguy cơ phá hoại kết cấu. Tại Việt Nam, việc thay thế hoàn toàn các công trình này là rất tốn kém, do đó việc gia cường và sửa chữa các cấu kiện BTCT hiện hữu trở thành nhu cầu cấp thiết. Vật liệu composite gia cường sợi carbon (CFRP) đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới như một giải pháp hiệu quả để nâng cao khả năng chịu lực của các cấu kiện BTCT, đặc biệt là các cột chịu nén.

Nghiên cứu này tập trung đánh giá ứng xử chịu lực nén của bê tông gia cường bằng lưới sợi carbon CFRP quấn quanh thân cột. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các mẫu cột bê tông tiết diện vuông (100x100x300 mm) và tròn (150x300 mm) với ba loại mác bê tông 30, 40 và 50 MPa, được gia cường bằng 0, 1 và 2 lớp lưới CFRP. Đặc biệt, ảnh hưởng của bán kính bo góc ở các cạnh cột vuông (0, 8, 16, 24, 32 mm) và cách thức quấn lưới CFRP quanh thân cột cũng được khảo sát chi tiết. Mục tiêu chính là xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả gia cường, từ đó đề xuất công thức dự báo cường độ chịu nén của cột bê tông sau gia cường.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các giải pháp gia cường, sửa chữa công trình BTCT tại Việt Nam, góp phần nâng cao tuổi thọ và hiệu quả khai thác công trình với chi phí hợp lý. Các chỉ số như mức độ gia tăng cường độ chịu nén, biến dạng dọc trục và ảnh hưởng của hình học tiết diện được phân tích kỹ lưỡng, cung cấp cơ sở khoa học cho việc ứng dụng vật liệu CFRP trong thực tế xây dựng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết vật liệu composite cốt sợi (Fiber Reinforced Polymer - FRP), trong đó CFRP là loại composite sử dụng sợi carbon làm cốt liệu chịu lực chính, kết hợp với nền polymer để tạo thành vật liệu có tính năng vượt trội về cường độ kéo và độ bền mỏi. FRP có khả năng chịu kéo cao, trọng lượng nhẹ, chống ăn mòn và dễ thi công, phù hợp để gia cường các cấu kiện BTCT.

Cơ chế phá hoại của bê tông chịu nén được mô tả qua các vết nứt phát triển quanh cốt liệu và trong nền xi măng, dẫn đến hiện tượng nở hông và phá hoại do cắt và kéo đứt. Khi bê tông được gia cường bằng CFRP, lớp vật liệu này hạn chế sự nở hông, truyền lực kéo tiếp tuyến, làm chậm quá trình phá hoại và nâng cao giới hạn chịu nén của bê tông.

Mô hình ứng suất - biến dạng của bê tông gia cường FRP được tham khảo từ tiêu chuẩn ACI 440.2R-08 và các nghiên cứu của Lam và Teng, trong đó cường độ chịu nén của bê tông gia cường được xác định dựa trên mối quan hệ giữa cường độ bê tông chưa gia cường, áp lực kiểm chế hữu hiệu do CFRP và các thông số hình học như bán kính bo góc và diện tích gia cường.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Cường độ chịu nén của bê tông (f'c): cường độ thiết kế của bê tông chưa gia cường.
  • Hệ số gia tăng cường độ (f_cc/f_co): tỷ số giữa cường độ bê tông gia cường và chưa gia cường.
  • Bán kính bo góc (r): bán kính làm tròn các góc tiết diện cột vuông, ảnh hưởng đến tập trung ứng suất.
  • Số lớp CFRP (n): mức độ gia cường thể hiện qua số lớp lưới CFRP quấn quanh cột.
  • Diện tích gia cường hiệu quả (A_eff): phần diện tích bê tông được kiểm chế bởi CFRP.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp phân tích số liệu để đánh giá hiệu quả gia cường của CFRP trên các mẫu cột bê tông không cốt thép. Tổng cộng khoảng 30 mẫu cột được chế tạo với các biến số: tiết diện vuông và tròn, mác bê tông 30, 40, 50 MPa, số lớp CFRP 0, 1, 2 lớp, và bán kính bo góc khác nhau cho cột vuông.

Mẫu cột vuông có kích thước 100x100x300 mm với bán kính bo góc lần lượt là 0, 8, 16, 24, 32 mm; mẫu cột tròn có đường kính 150 mm, chiều cao 300 mm. Lưới CFRP dạng tấm vải dệt một chiều được quấn quanh thân cột theo các cách: quấn toàn phần và quấn một phần diện tích thân cột.

Phương pháp chọn mẫu là chọn đại diện các tổ hợp biến số nhằm khảo sát ảnh hưởng từng yếu tố đến hiệu quả gia cường. Thí nghiệm nén được tiến hành trên máy nén thủy lực với khả năng đo ứng suất và biến dạng dọc trục, biến dạng ngang của mẫu.

Phân tích số liệu sử dụng các chỉ số cường độ chịu nén, biến dạng tới hạn, hệ số gia tăng cường độ, đồng thời so sánh với các nghiên cứu trước đây để đánh giá tính hợp lý và mở rộng kết quả. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 7 đến tháng 12 năm 2012, bao gồm giai đoạn chuẩn bị mẫu, tiến hành thí nghiệm và xử lý dữ liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của số lớp CFRP đến hiệu quả gia cường: Mẫu cột được quấn 2 lớp CFRP có cường độ chịu nén tăng trung bình khoảng 20-30% so với mẫu không gia cường, cao hơn đáng kể so với mẫu quấn 1 lớp (tăng khoảng 10-15%). Ví dụ, với mẫu cột vuông mác 40 MPa, cường độ chịu nén tăng từ 40 MPa lên khoảng 52 MPa khi dùng 2 lớp CFRP.

  2. Ảnh hưởng của bán kính bo góc: Cường độ chịu nén của mẫu cột vuông tăng dần theo bán kính bo góc, với mức tăng tối ưu khi bán kính đạt 16 mm trở lên. Mẫu có bán kính bo góc 16 mm cho hiệu quả gia cường cao hơn khoảng 12% so với mẫu góc vuông sắc nét (r=0). Bán kính bo góc nhỏ hơn 16 mm làm giảm hiệu quả do tập trung ứng suất tại góc.

  3. Ảnh hưởng của mác bê tông thiết kế: Mẫu bê tông mác thấp (30 MPa) có mức độ gia tăng cường độ sau gia cường CFRP cao hơn so với mẫu mác cao (50 MPa). Cụ thể, mẫu 30 MPa tăng khoảng 25% cường độ, trong khi mẫu 50 MPa chỉ tăng khoảng 15%, do bê tông mác thấp có khả năng biến dạng lớn hơn, CFRP phát huy hiệu quả kiểm chế nở hông tốt hơn.

  4. Ảnh hưởng của phạm vi quấn lưới CFRP: Mẫu cột được quấn CFRP toàn bộ thân cột có hiệu quả gia cường cao hơn khoảng 10-12% so với mẫu chỉ quấn một phần thân cột. Việc quấn không toàn diện làm giảm khả năng kiểm chế nở hông, dẫn đến hiệu quả gia cường thấp hơn.

Thảo luận kết quả

Các kết quả thực nghiệm cho thấy rõ ràng rằng số lớp CFRP và hình học tiết diện là các yếu tố quyết định đến hiệu quả gia cường cột bê tông. Việc tăng số lớp CFRP làm tăng khả năng chịu kéo của lớp gia cường, từ đó nâng cao giới hạn chịu nén của bê tông bên trong. Bán kính bo góc lớn giúp giảm tập trung ứng suất tại các góc sắc, làm tăng khả năng phân bố ứng suất đều hơn, đồng thời giảm nguy cơ phá hoại sớm tại các vị trí này.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả tương đồng với báo cáo của Riad Benzaid và Wu & Wang, trong đó mức độ gia tăng cường độ chịu nén đạt tối đa khi số lớp CFRP là 2 và bán kính bo góc đạt khoảng 16 mm. Sự khác biệt nhỏ về tỷ lệ phần trăm có thể do khác biệt về kích thước mẫu và điều kiện thí nghiệm.

Việc quấn CFRP không toàn diện làm giảm hiệu quả gia cường do không kiểm chế được toàn bộ áp lực nở hông, dẫn đến sự phát triển vết nứt và phá hoại sớm. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc thi công đúng kỹ thuật và đảm bảo diện tích gia cường đầy đủ.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ quan hệ giữa tỷ số cường độ gia cường (f_cc/f_co) với số lớp CFRP và bán kính bo góc, cũng như bảng tổng hợp cường độ chịu nén và biến dạng tới hạn của các mẫu. Các biểu đồ ứng suất - biến dạng minh họa sự gia tăng độ dẻo dai và giới hạn biến dạng của bê tông sau gia cường.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng số lớp CFRP gia cường lên tối thiểu 2 lớp nhằm đạt hiệu quả gia cường tối ưu, đặc biệt với các công trình có yêu cầu chịu lực cao. Thời gian thi công dự kiến trong vòng 1-2 tuần cho mỗi cấu kiện, do đó cần lập kế hoạch thi công phù hợp.

  2. Thiết kế tiết diện cột với bán kính bo góc tối thiểu 16 mm để giảm tập trung ứng suất và nâng cao hiệu quả gia cường CFRP. Chủ thể thực hiện là các kỹ sư thiết kế kết cấu trong giai đoạn thi công hoặc sửa chữa.

  3. Quấn CFRP toàn diện quanh thân cột để đảm bảo kiểm chế nở hông hiệu quả, tránh gia cường không đồng đều gây phá hoại cục bộ. Chủ thể thi công cần tuân thủ nghiêm ngặt quy trình kỹ thuật và kiểm tra chất lượng vật liệu.

  4. Ưu tiên sử dụng CFRP cho các cột bê tông mác thấp đến trung bình (30-40 MPa) để tận dụng tối đa khả năng gia cường, đồng thời cân nhắc chi phí và hiệu quả kinh tế. Các chủ đầu tư và nhà thầu nên phối hợp để lựa chọn giải pháp phù hợp.

  5. Đào tạo kỹ thuật viên và cán bộ thi công về công nghệ gia cường CFRP, bao gồm quy trình chuẩn bị bề mặt, dán lưới và bảo dưỡng sau thi công nhằm đảm bảo chất lượng và độ bền của lớp gia cường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu xây dựng: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và công thức dự báo cường độ chịu nén của cột bê tông gia cường CFRP, hỗ trợ thiết kế các công trình có yêu cầu gia cường hoặc sửa chữa.

  2. Nhà thầu thi công và sửa chữa công trình: Tham khảo các phương pháp thi công, lựa chọn số lớp CFRP và kỹ thuật quấn lưới phù hợp để đảm bảo hiệu quả gia cường và tiết kiệm chi phí.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành vật liệu xây dựng: Tài liệu cung cấp kiến thức chuyên sâu về vật liệu composite CFRP, cơ chế phá hoại bê tông và ứng dụng thực nghiệm, phục vụ cho các nghiên cứu tiếp theo.

  4. Chủ đầu tư và quản lý dự án xây dựng: Hiểu rõ lợi ích và giới hạn của công nghệ gia cường CFRP, từ đó đưa ra quyết định đầu tư hợp lý cho việc bảo trì, nâng cấp công trình BTCT hiện hữu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu CFRP là gì và tại sao được sử dụng để gia cường bê tông?
    CFRP là vật liệu composite gồm sợi carbon chịu lực cao và nền polymer. CFRP có trọng lượng nhẹ, chịu kéo tốt, chống ăn mòn, giúp hạn chế nở hông bê tông, nâng cao cường độ chịu nén và độ bền của cấu kiện.

  2. Số lớp CFRP quấn quanh cột ảnh hưởng thế nào đến hiệu quả gia cường?
    Số lớp CFRP càng nhiều thì khả năng chịu kéo của lớp gia cường càng cao, dẫn đến hiệu quả gia cường tốt hơn. Nghiên cứu cho thấy 2 lớp CFRP tăng cường độ chịu nén lên đến 20-30%, cao hơn đáng kể so với 1 lớp.

  3. Tại sao bán kính bo góc của tiết diện cột lại quan trọng?
    Bán kính bo góc lớn giúp giảm tập trung ứng suất tại các góc sắc, hạn chế vết nứt phát triển sớm, từ đó nâng cao hiệu quả gia cường CFRP và tăng cường độ chịu nén của cột.

  4. Có thể gia cường CFRP cho cột bê tông có mác cao không?
    Có thể, nhưng hiệu quả gia cường thường thấp hơn so với bê tông mác thấp do bê tông mác cao có độ dẻo dai thấp hơn, CFRP khó phát huy hết khả năng kiểm chế nở hông.

  5. Gia cường CFRP có thể áp dụng cho các công trình hiện hữu không?
    Hoàn toàn có thể. CFRP dễ thi công, không làm thay đổi hình dạng kết cấu, phù hợp để sửa chữa và nâng cao khả năng chịu lực cho các công trình BTCT đã sử dụng lâu năm.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định rõ ảnh hưởng tích cực của số lớp CFRP và bán kính bo góc đến hiệu quả gia cường cột bê tông chịu nén.
  • Mẫu cột quấn 2 lớp CFRP và có bán kính bo góc ≥16 mm đạt hiệu quả gia cường tối ưu, tăng cường độ chịu nén lên đến 30%.
  • Việc quấn CFRP toàn diện quanh thân cột giúp kiểm chế nở hông hiệu quả hơn so với quấn một phần.
  • Mác bê tông thấp có khả năng gia cường tốt hơn, phù hợp để ưu tiên ứng dụng công nghệ CFRP.
  • Công thức dự báo cường độ chịu nén sau gia cường được xây dựng dựa trên số liệu thực nghiệm, hỗ trợ thiết kế và thi công thực tế.

Next steps: Triển khai ứng dụng công nghệ gia cường CFRP cho các công trình BTCT tại Việt Nam, đồng thời mở rộng nghiên cứu về các dạng vật liệu composite khác và điều kiện tải trọng phức tạp hơn.

Call to action: Các kỹ sư, nhà nghiên cứu và chủ đầu tư nên phối hợp để áp dụng kết quả nghiên cứu này vào thực tiễn nhằm nâng cao hiệu quả và tuổi thọ công trình xây dựng.