Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của các công trình dân dụng và công nghiệp tại Việt Nam, việc sửa chữa và gia cường kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) bị hư hỏng do ăn mòn cốt thép là một vấn đề cấp thiết. Theo ước tính, môi trường xâm thực, đặc biệt là môi trường khô/ướt nước mặn với độ mặn khoảng 15‰, gây ra hiện tượng ăn mòn cốt thép, làm giảm khả năng chịu lực và độ bền của kết cấu. Nghiên cứu này tập trung vào ứng xử uốn của dầm BTCT tiết diện chữ T bị ăn mòn cốt thép và được gia cường bằng lưới sợi carbon (CFRP) với các hàm lượng khác nhau, nhằm đánh giá hiệu quả gia cường trong điều kiện môi trường khắc nghiệt.

Chương trình thực nghiệm được thực hiện trên 12 dầm, chia thành 3 nhóm với mức độ ăn mòn khác nhau: không bị ăn mòn, ăn mòn 45 chu kỳ khô/ướt và ăn mòn 90 chu kỳ khô/ướt nước mặn. Mục tiêu nghiên cứu bao gồm khảo sát ảnh hưởng của môi trường khô/ướt đến hiệu quả gia cường kháng uốn của CFRP, đánh giá tác động của mức độ ăn mòn và hàm lượng CFRP đến khả năng gia cường, cũng như phân tích cơ chế phá hủy liên kết giữa CFRP và bê tông. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp dữ liệu thực nghiệm cho thiết kế và thi công sửa chữa các kết cấu BTCT bị hư hỏng trong môi trường nước mặn, góp phần nâng cao độ bền và tuổi thọ công trình.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình về ăn mòn cốt thép trong môi trường xâm thực, đặc biệt là cơ chế ăn mòn điện hóa, sự thâm nhập ion Cl⁻ và carbonat hóa bê tông quanh cốt thép. Lý thuyết về vật liệu gia cường FRP, đặc biệt là CFRP, được áp dụng để phân tích hiệu quả gia cường kháng uốn. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Ăn mòn cốt thép: Quá trình phá hủy lớp bảo vệ thụ động của cốt thép do tác động của ion Cl⁻ và CO₂ trong môi trường nước mặn.
  • Vật liệu CFRP: Lưới sợi carbon có đặc tính cơ lý cao, khối lượng riêng thấp, khả năng chịu kéo lớn và độ bền cao trong môi trường xâm thực.
  • Liên kết bê tông-CFRP: Cơ chế truyền lực và phá hủy liên kết giữa tấm CFRP và bề mặt bê tông, ảnh hưởng đến hiệu quả gia cường.
  • Hiệu quả gia cường kháng uốn: Mức độ tăng cường khả năng chịu uốn của dầm BTCT sau khi gia cường bằng CFRP.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm với 12 mẫu dầm BTCT kích thước thực (150x300x3400 mm), chia thành 3 nhóm theo mức độ ăn mòn cốt thép: không ăn mòn, ăn mòn 45 chu kỳ và ăn mòn 90 chu kỳ trong môi trường khô/ướt nước mặn (độ mặn 15‰). Mỗi nhóm gồm 4 dầm: 1 dầm đối chứng không gia cường, 2 dầm gia cường CFRP với 2 và 4 lớp, và 1 dầm gia cường 2 lớp CFRP chịu tác động môi trường khô/ướt.

Quá trình ăn mòn được mô phỏng bằng chu kỳ 24 giờ gồm 14 giờ ngâm nước mặn và 10 giờ phơi khô. Các dầm được khoan lỗ để tăng tốc độ ăn mòn cốt thép. Sau khi xử lý mẫu và dán CFRP bằng keo epoxy, dầm được thử tải uốn 4 điểm với nhịp 3m, đo lực, chuyển vị, biến dạng bê tông, cốt thép và CFRP bằng cảm biến điện trở và LVDT. Cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu đảm bảo tính đại diện và kiểm soát điều kiện thí nghiệm. Dữ liệu thu thập được phân tích định lượng và so sánh với các tiêu chuẩn ACI 440.2R (2017) và CNR-DT 200 (2013).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của môi trường khô/ướt đến hiệu quả gia cường CFRP: Sau 45 và 90 chu kỳ khô/ướt nước mặn, hiệu quả gia cường kháng uốn của CFRP giảm khoảng 11-28% so với dầm không chịu tác động môi trường, tuy nhiên độ cứng và tải biến dạng không bị ảnh hưởng đáng kể.

  2. Tác động của mức độ ăn mòn cốt thép: Mức độ ăn mòn tăng từ 0% đến 90 chu kỳ làm giảm khả năng chịu lực của dầm không gia cường khoảng 24%, trong khi dầm gia cường CFRP vẫn duy trì khả năng chịu lực tăng từ 30% đến 50% so với dầm không gia cường cùng mức độ ăn mòn.

  3. Ảnh hưởng của số lớp CFRP: Gia tăng số lớp CFRP từ 2 lên 4 lớp làm tăng khả năng chịu tải uốn của dầm từ 37% đến 87% so với dầm không gia cường, đồng thời giảm bề rộng vết nứt và độ võng của dầm.

  4. Cơ chế phá hủy liên kết CFRP-bê tông: Phá hủy chủ yếu do bong tách lớp keo epoxy và bong tách lớp bê tông bề mặt, với thời gian bong tách rút ngắn khi số chu kỳ khô/ướt tăng lên, làm giảm hiệu quả gia cường theo thời gian.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân giảm hiệu quả gia cường CFRP dưới tác động môi trường khô/ướt nước mặn là do sự suy giảm độ bền bám dính giữa tấm CFRP và bê tông, cũng như sự ăn mòn cốt thép làm giảm liên kết nội tại trong dầm. So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả phù hợp với báo cáo của Soudki và cộng sự (2007) và Silva và cộng sự (2013), cho thấy môi trường khắc nghiệt làm giảm hiệu quả gia cường CFRP khoảng 15-30%. Biểu đồ quan hệ lực - chuyển vị và lực - biến dạng CFRP minh họa rõ sự suy giảm này theo số chu kỳ ăn mòn và số lớp CFRP.

Kết quả cũng khẳng định rằng việc gia tăng số lớp CFRP là giải pháp hiệu quả để bù đắp sự suy giảm do môi trường, đồng thời giảm bề rộng vết nứt và độ võng, nâng cao độ bền và độ cứng của dầm. Việc kiểm chứng công thức tính toán theo tiêu chuẩn ACI 440.2R và CNR-DT 200 cho thấy các công thức này phù hợp với trường hợp dầm gia cường bị xâm thực, tuy nhiên cần điều chỉnh hệ số chiết giảm để phản ánh chính xác hơn ảnh hưởng của môi trường.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng số lớp CFRP gia cường: Đề xuất sử dụng từ 3 đến 4 lớp CFRP cho các dầm BTCT bị ăn mòn trong môi trường nước mặn nhằm đảm bảo khả năng chịu uốn và độ bền lâu dài. Thời gian thực hiện: trong giai đoạn sửa chữa công trình.

  2. Kiểm soát và bảo dưỡng môi trường thi công: Áp dụng biện pháp chống thấm và kiểm soát độ ẩm trong quá trình thi công để giảm tác động của chu kỳ khô/ướt lên liên kết CFRP-bê tông. Chủ thể thực hiện: nhà thầu và kỹ sư giám sát.

  3. Sử dụng keo epoxy chất lượng cao: Lựa chọn keo epoxy có khả năng thâm nhập sâu và độ bám dính cao, chịu được môi trường xâm thực để tăng cường liên kết giữa CFRP và bê tông. Thời gian: trước khi dán CFRP.

  4. Áp dụng tiêu chuẩn thiết kế phù hợp: Khuyến nghị các kỹ sư xây dựng Việt Nam áp dụng các tiêu chuẩn ACI 440.2R và CNR-DT 200 đã được hiệu chỉnh phù hợp với điều kiện môi trường thực tế tại Việt Nam để đảm bảo tính chính xác và kinh tế trong thiết kế gia cường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực nghiệm và phương pháp tính toán chính xác cho việc thiết kế gia cường dầm BTCT bị ăn mòn trong môi trường nước mặn, giúp tối ưu hóa giải pháp kỹ thuật.

  2. Nhà thầu thi công sửa chữa công trình: Tham khảo quy trình thi công, lựa chọn vật liệu CFRP và keo epoxy phù hợp, cũng như biện pháp bảo dưỡng để nâng cao hiệu quả gia cường và tuổi thọ công trình.

  3. Chuyên gia nghiên cứu vật liệu xây dựng: Cung cấp cơ sở khoa học về ảnh hưởng của môi trường xâm thực đến vật liệu CFRP và liên kết với bê tông, phục vụ cho các nghiên cứu phát triển vật liệu mới.

  4. Cơ quan quản lý và lập tiêu chuẩn xây dựng: Tham khảo kết quả nghiên cứu để xây dựng hoặc điều chỉnh tiêu chuẩn thiết kế và thi công gia cường kết cấu BTCT phù hợp với điều kiện khí hậu và môi trường Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần gia cường dầm BTCT bị ăn mòn bằng CFRP?
    Gia cường bằng CFRP giúp phục hồi khả năng chịu lực và độ cứng của dầm bị suy giảm do ăn mòn cốt thép, đồng thời giảm bề rộng vết nứt và tăng tuổi thọ công trình.

  2. Ảnh hưởng của môi trường khô/ướt nước mặn đến hiệu quả gia cường CFRP như thế nào?
    Môi trường này làm giảm độ bền bám dính giữa CFRP và bê tông khoảng 11-28% sau nhiều chu kỳ, ảnh hưởng đến khả năng chịu uốn của dầm.

  3. Số lớp CFRP ảnh hưởng ra sao đến khả năng gia cường?
    Tăng số lớp CFRP từ 2 lên 4 lớp có thể nâng cao khả năng chịu tải uốn lên đến 87% so với dầm không gia cường, đồng thời giảm vết nứt và độ võng.

  4. Có thể áp dụng các tiêu chuẩn quốc tế cho thiết kế gia cường tại Việt Nam không?
    Có thể, nhưng cần điều chỉnh hệ số chiết giảm để phù hợp với điều kiện môi trường xâm thực đặc thù của Việt Nam nhằm đảm bảo tính chính xác và kinh tế.

  5. Cơ chế phá hủy liên kết CFRP-bê tông là gì?
    Phá hủy chủ yếu do bong tách lớp keo epoxy và bong tách bê tông bề mặt, đặc biệt khi chịu tác động lâu dài của chu kỳ khô/ướt và ăn mòn cốt thép.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định rõ ảnh hưởng tiêu cực của môi trường khô/ướt nước mặn đến hiệu quả gia cường kháng uốn của CFRP trên dầm BTCT bị ăn mòn.
  • Mức độ ăn mòn cốt thép và số lớp CFRP là hai yếu tố quan trọng quyết định khả năng chịu lực và độ bền của dầm gia cường.
  • Cơ chế phá hủy liên kết CFRP-bê tông chủ yếu do bong tách lớp keo và bê tông, ảnh hưởng đến hiệu quả gia cường theo thời gian.
  • Các công thức tính toán theo tiêu chuẩn ACI 440.2R và CNR-DT 200 phù hợp với trường hợp dầm bị xâm thực, cần điều chỉnh hệ số chiết giảm để phản ánh chính xác hơn.
  • Đề xuất áp dụng các giải pháp gia cường và bảo dưỡng phù hợp nhằm nâng cao hiệu quả và tuổi thọ công trình trong môi trường nước mặn.

Next steps: Triển khai áp dụng kết quả nghiên cứu vào thiết kế và thi công thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu với các loại vật liệu CFRP và điều kiện môi trường khác.

Call to action: Các kỹ sư và nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển thêm các giải pháp gia cường CFRP phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam để nâng cao chất lượng công trình xây dựng.