Tổng quan nghiên cứu

Hiện tượng ăn mòn cốt thép trong các cấu kiện bê tông cốt thép (BTCT) là nguyên nhân chính dẫn đến sự suy giảm khả năng chịu lực và tuổi thọ công trình, đặc biệt tại các công trình ven biển và môi trường xâm thực cao. Ước tính kinh phí sửa chữa và xử lý ăn mòn cốt thép chiếm khoảng 3.5% Tổng sản phẩm quốc gia (GNP) của mỗi quốc gia, tương đương gần 100 tỷ EUR toàn cầu mỗi năm. Tại Việt Nam, các công trình BTCT trong môi trường biển thường bị xuống cấp nghiêm trọng chỉ sau 10-30 năm sử dụng do ăn mòn cốt thép. Trong bối cảnh kinh tế còn nhiều khó khăn, việc gia cố, phục hồi khả năng chịu lực của các cấu kiện BTCT bị ăn mòn là nhu cầu cấp thiết nhằm kéo dài tuổi thọ công trình.

Nghiên cứu tập trung vào ứng xử của cột BTCT có cốt thép bị ăn mòn được gia cường bằng tấm Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) chịu tải nén lệch tâm. Các nghiên cứu trước đây chủ yếu khảo sát ứng xử nén đúng tâm, trong khi thực tế cột thường chịu nén lệch tâm với hiện tượng biến dạng không đều của tấm CFRP, làm giảm hiệu quả gia cường kháng nở hông và ảnh hưởng tiêu cực đến khả năng chịu lực. Đặc biệt, thiếu hụt số liệu nghiên cứu về trường hợp cột BTCT bị ăn mòn gia cường CFRP dưới tải nén lệch tâm đã dẫn đến việc thiếu các điều khoản tính toán cụ thể trong các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành như ACI 440.

Mục tiêu nghiên cứu là khảo sát thực nghiệm trên 24 mẫu cột BTCT kích thước 200x200x800 mm với các mức độ ăn mòn cốt thép khác nhau (0%, 15%, 30%) và số lớp gia cường CFRP khác nhau (0, 1, 3 lớp), chịu tải nén lệch tâm e = 25 mm và 75 mm. Nghiên cứu nhằm đánh giá hiệu quả gia cường CFRP, kiểm chứng tính chính xác và phạm vi áp dụng của các hướng dẫn thiết kế hiện hành, đồng thời cung cấp số liệu thực nghiệm phục vụ phát triển mô hình tính toán và thiết kế an toàn hơn cho các cấu kiện BTCT bị ăn mòn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Hiệu ứng bó hông của tấm CFRP: Tấm CFRP dán quanh cột tạo ra ứng suất kéo ngăn biến dạng ngang (nở hông) của bê tông, làm tăng cường độ chịu nén và độ dẻo của cột. Mô hình ứng suất - biến dạng của bê tông có hiệu ứng bó hông được mô tả theo tiêu chuẩn ACI 440.2R-17, trong đó cường độ chịu nén và biến dạng cực đại của bê tông được điều chỉnh theo mức độ bó hông do CFRP tạo ra.
  • Biểu đồ tương tác lực dọc - mô men (P-M): Mô hình biểu diễn quan hệ giữa lực dọc tác dụng và mô men uốn của cột chịu nén lệch tâm, được xây dựng dựa trên các thông số vật liệu bê tông, cốt thép và CFRP, giúp dự đoán khả năng chịu lực và an toàn của cột.
  • Ảnh hưởng ăn mòn cốt thép: Ăn mòn làm giảm tiết diện và tính chất cơ lý của cốt thép dọc và cốt đai, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu lực và độ bền của cột. Sự tương tác giữa cốt thép ăn mòn và hiệu quả gia cường CFRP là yếu tố quan trọng cần lượng hóa.

Các khái niệm chính bao gồm: cường độ chịu nén bê tông (fc'), giới hạn chảy và bền của cốt thép (fy, fu), biến dạng hữu hiệu của CFRP (εfe), hệ số an toàn (SF), và các thông số hình học tiết diện cột (b, h, D).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu thực nghiệm trên 24 mẫu cột BTCT kích thước 200x200x800 mm, bố trí 4 thanh thép dọc Φ16 và cốt đai Φ6, với các mức độ ăn mòn cốt thép khác nhau: nhóm A (không ăn mòn), nhóm B (cốt đai ăn mòn 15%), nhóm C (cốt đai và cốt dọc ăn mòn 15%), nhóm D (cốt đai ăn mòn 15%, cốt dọc ăn mòn 30%). Các mẫu được gia cường CFRP với số lớp 0, 1 lớp dán dọc + 1 lớp bó hông, và 1 lớp dán dọc + 3 lớp bó hông.
  • Phương pháp tạo ăn mòn: Cốt thép được ngâm trong dung dịch axit H2SO4 45% để tạo ăn mòn đồng đều, không làm sạch gỉ trước khi đổ bê tông nhằm mô phỏng thực tế.
  • Thiết bị thí nghiệm: Gia tải nén lệch tâm với độ lệch tâm e = 25 mm và 75 mm, sử dụng kích thủy lực 550 tấn, tốc độ gia tải 30-40 kN/phút. Các cảm biến LVDT và SG được bố trí đo chuyển vị và biến dạng bê tông, cốt thép, CFRP.
  • Phân tích dữ liệu: Xây dựng biểu đồ tương tác P-M, tính toán hệ số an toàn SF theo tiêu chuẩn ACI 440.2R-17, so sánh kết quả thực nghiệm với dự đoán lý thuyết để đánh giá hiệu quả gia cường và phạm vi áp dụng các hướng dẫn thiết kế.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 2/2022 đến tháng 6/2023, bao gồm giai đoạn tạo mẫu, thí nghiệm, phân tích dữ liệu và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của ăn mòn cốt thép đến khả năng chịu lực cột không gia cường: Các cột có cốt thép bị ăn mòn (nhóm B, C, D) không được gia cường CFRP có lực phá hoại thực nghiệm thấp hơn đáng kể so với dự đoán theo tiêu chuẩn ACI 440.2R-17, với hệ số an toàn SF < 1, cho thấy tiêu chuẩn hiện hành chưa phản ánh chính xác sự suy giảm do ăn mòn. Ví dụ, nhóm D (cốt dọc ăn mòn 30%) giảm khả năng chịu lực khoảng 20-25% so với nhóm A.

  2. Hiệu quả gia cường CFRP trong phục hồi khả năng chịu lực: Các cột được gia cường CFRP có hệ số an toàn SF > 1, chứng tỏ tấm CFRP giúp hồi phục và cải thiện khả năng chịu lực của cột bị ăn mòn. Hiệu quả gia cường tăng theo số lớp CFRP, với nhóm gia cường 1 lớp dán dọc + 3 lớp bó hông cho kết quả tốt nhất, tăng khả năng chịu lực lên đến 30-40% so với cột không gia cường cùng mức ăn mòn.

  3. Ảnh hưởng của độ lệch tâm tải trọng: Đối với cột có độ lệch tâm lớn (e = 75 mm), hiệu quả gia cường CFRP càng rõ rệt, với sự gia tăng hệ số an toàn SF cao hơn so với cột có độ lệch tâm nhỏ (e = 25 mm). Điều này cho thấy tấm CFRP có vai trò quan trọng trong việc cải thiện khả năng chịu nén lệch tâm, đặc biệt khi độ lệch tâm tăng.

  4. Tương tác giữa cốt thép ăn mòn và CFRP: Sự ăn mòn cốt đai làm giảm hiệu quả bó hông của CFRP, tuy nhiên khi kết hợp với lớp dán dọc CFRP, khả năng chịu lực của cột vẫn được cải thiện đáng kể. Mức độ ăn mòn cốt dọc ảnh hưởng lớn hơn đến khả năng chịu lực tổng thể, do đó việc lựa chọn cấu hình gia cường phù hợp là cần thiết.

Thảo luận kết quả

Kết quả thực nghiệm cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa khả năng chịu lực thực tế của cột BTCT bị ăn mòn và dự đoán theo tiêu chuẩn ACI 440.2R-17, đặc biệt khi không có gia cường CFRP. Điều này phản ánh hạn chế của các tiêu chuẩn hiện hành trong việc tính toán cho cấu kiện bị ăn mòn dưới tải nén lệch tâm. Việc gia cường bằng tấm CFRP không chỉ phục hồi khả năng chịu lực mà còn cải thiện độ dẻo và độ bền của cột, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về hiệu quả của CFRP trong gia cố kết cấu BTCT.

Hiệu quả gia cường tăng theo số lớp CFRP và độ lệch tâm tải trọng, cho thấy sự cần thiết của việc thiết kế gia cường phù hợp với điều kiện tải trọng thực tế và mức độ ăn mòn. Sự tương tác giữa cốt thép ăn mòn và CFRP cũng làm nổi bật vai trò của cốt đai trong việc duy trì hiệu quả bó hông, từ đó ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của cột.

Dữ liệu thu thập có thể được trình bày qua biểu đồ tương tác P-M so sánh giữa các nhóm mẫu, bảng tổng hợp hệ số an toàn SF theo mức độ ăn mòn và số lớp CFRP, cũng như biểu đồ thể hiện sự thay đổi khả năng chịu lực theo độ lệch tâm tải trọng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Cập nhật tiêu chuẩn thiết kế gia cường CFRP cho cột BTCT bị ăn mòn: Cần bổ sung các điều khoản tính toán cụ thể cho cột BTCT có cốt thép bị ăn mòn chịu nén lệch tâm trong tiêu chuẩn ACI 440 và các tiêu chuẩn quốc gia, dựa trên số liệu thực nghiệm mới nhằm đảm bảo an toàn và độ tin cậy thiết kế.

  2. Thiết kế cấu hình gia cường CFRP phù hợp với mức độ ăn mòn và tải trọng lệch tâm: Khuyến nghị sử dụng ít nhất 1 lớp dán dọc kết hợp với 3 lớp bó hông CFRP cho các cột có mức độ ăn mòn cốt thép cao và tải trọng lệch tâm lớn để tối ưu hiệu quả gia cường.

  3. Áp dụng phương pháp tạo ăn mòn mô phỏng thực tế trong nghiên cứu và sửa chữa: Sử dụng phương pháp tạo ăn mòn bằng hóa chất không làm sạch gỉ trước khi gia cố nhằm phản ánh chính xác sự suy giảm bám dính giữa cốt thép và bê tông, giúp đánh giá hiệu quả gia cường thực tế hơn.

  4. Triển khai chương trình kiểm tra và bảo dưỡng định kỳ cho các công trình BTCT ven biển: Đề xuất các biện pháp giám sát mức độ ăn mòn cốt thép và hiệu quả gia cường CFRP trong quá trình sử dụng nhằm phát hiện sớm và xử lý kịp thời, kéo dài tuổi thọ công trình.

Các giải pháp trên nên được thực hiện trong vòng 1-3 năm tiếp theo, phối hợp giữa các viện nghiên cứu, trường đại học và các đơn vị thi công, quản lý công trình.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu và tư vấn xây dựng: Nghiên cứu cung cấp số liệu thực nghiệm và mô hình tính toán mới giúp cải thiện độ chính xác trong thiết kế gia cường cột BTCT bị ăn mòn, đặc biệt dưới tải nén lệch tâm.

  2. Chuyên gia sửa chữa và gia cố công trình: Thông tin về hiệu quả gia cường CFRP và phương pháp tạo ăn mòn mô phỏng thực tế hỗ trợ lựa chọn giải pháp kỹ thuật phù hợp, tiết kiệm chi phí và nâng cao độ bền công trình.

  3. Nhà quản lý dự án và chủ đầu tư: Hiểu rõ về tác động của ăn mòn cốt thép và lợi ích của gia cường CFRP giúp đưa ra quyết định đầu tư hợp lý cho công tác bảo trì, sửa chữa công trình.

  4. Giảng viên và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật xây dựng: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về nghiên cứu thực nghiệm, phương pháp phân tích và ứng dụng vật liệu composite trong gia cố kết cấu BTCT.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần nghiên cứu ứng xử cột BTCT bị ăn mòn dưới tải nén lệch tâm?
    Ứng xử nén lệch tâm phổ biến trong thực tế, ảnh hưởng đến biến dạng không đều của tấm CFRP và hiệu quả gia cường. Nghiên cứu giúp dự đoán chính xác hơn khả năng chịu lực và an toàn kết cấu.

  2. Hiệu quả gia cường CFRP phụ thuộc vào những yếu tố nào?
    Phụ thuộc vào số lớp CFRP, mức độ ăn mòn cốt thép, độ lệch tâm tải trọng và tương tác giữa cốt dọc, cốt đai và bê tông. Gia cường nhiều lớp và xử lý ăn mòn tốt giúp tăng hiệu quả.

  3. Phương pháp tạo ăn mòn cốt thép trong nghiên cứu có ưu điểm gì?
    Phương pháp ngâm axit tạo ăn mòn đồng đều, không làm sạch gỉ mô phỏng thực tế, giúp đánh giá chính xác sự suy giảm bám dính và hiệu quả gia cường CFRP.

  4. Tiêu chuẩn ACI 440 có áp dụng cho cột BTCT bị ăn mòn không?
    Hiện tại tiêu chuẩn chưa có điều khoản cụ thể cho cột bị ăn mòn dưới tải nén lệch tâm, nghiên cứu này cung cấp số liệu để cập nhật và hoàn thiện tiêu chuẩn.

  5. Gia cường CFRP có thể kéo dài tuổi thọ công trình như thế nào?
    CFRP phục hồi khả năng chịu lực, giảm tốc độ ăn mòn cốt thép và tăng độ dẻo của cột, từ đó kéo dài tuổi thọ và đảm bảo an toàn cho công trình trong môi trường xâm thực.

Kết luận

  • Nghiên cứu thực nghiệm trên 24 mẫu cột BTCT bị ăn mòn với các mức độ và số lớp CFRP khác nhau dưới tải nén lệch tâm đã cung cấp số liệu quan trọng về hiệu quả gia cường và ứng xử thực tế của cột.
  • Kết quả cho thấy cột bị ăn mòn không gia cường có khả năng chịu lực thấp hơn dự đoán tiêu chuẩn, trong khi gia cường CFRP giúp phục hồi và cải thiện đáng kể khả năng chịu lực với hệ số an toàn SF > 1.
  • Hiệu quả gia cường tăng theo số lớp CFRP và độ lệch tâm tải trọng, nhấn mạnh vai trò của thiết kế gia cường phù hợp với điều kiện thực tế.
  • Nghiên cứu góp phần làm rõ tương tác giữa cốt thép ăn mòn, bê tông và CFRP, đồng thời đề xuất cập nhật tiêu chuẩn thiết kế gia cường cho cột BTCT bị ăn mòn.
  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu với kích thước cột lớn hơn, đa dạng hóa điều kiện ăn mòn và tải trọng, cũng như phát triển mô hình tính toán dựa trên dữ liệu thực nghiệm.

Đề nghị các nhà nghiên cứu, kỹ sư thiết kế và quản lý công trình áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả gia cố và đảm bảo an toàn kết cấu trong thực tế.