Chương 1. Đặt van dé Đề tai này trình bay nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của yếu tố môi trường khô/ướt (nước mặn) (yếu tô khí hậu đặc trưng của các tỉnh duyên hải Việt Nam) đến hiệu qua gia cường kháng uốn của lưới sợi CFRP cho dầm bê tông cốt thép (BTCT) tiết điện chữ T đã bị hư hỏng do hiện tượng xâm thực (cốt thép bị ăn mòn). Chương trình thực nghiệm được thực hiện trên 12 dầm được chia làm 3 nhóm có mức độ ăn mòn cốt thép dọc chịu lực khác nhau (không bị ăn mòn; bị ăn mòn chịu 45 chu kỳ khô/ướt nước mặn, độ mặn 15%; bi ăn mòn 90 chu ky khô/ướt nước mặn, độ mặn 15%). Mỗi nhóm gồm 4 dam, trong đó có 1 dầm đối chứng và 2 dầm gia cường lưới sợi CFRP với số lớp lần lượt là 2 và 4 lớp, 1 dầm gia cường 2 lớp lưới sợi CFRP đồng thời chịu tác động của môi trường khô/ướt (nước mặn).
Mục tiêu nghiên cứu chính của dé tài dự kiến như sau: (1) khảo sát và phân tích ảnh hưởng của yếu tổ môi trường khô/ướt đến hiệu quả gia cường kháng uốn của lưới sợi CFRP cho dầm BTCT tiết diện chữ T bị hư hỏng do cốt thép bị ăn mòn; (2) khảo sát và đánh giá ảnh hưởng của mức độ ăn mòn của cốt thép chịu lực và hàm lượng tấm CFRP đến khả năng gia cường kháng uốn của dầm tiết diện chữ T; và (3) phân tích sự làm việc của lưới sợi CFRP va cơ chế phá hủy của liên kết giữa lưới sợi CFRP và bê tông dầm trong điều kiện môi trường bình thường và môi trường khô/ướt (nước mặn). Trang 3 Chương 2. Tổng quan Chương 2. TAC DONG CUA MOI TRUONG XAM THUC DOI VOI KET CAU BE TONG COT THEP 2.1 Sự ăn mòn cốt thép trong môi trường xâm thực Theo thời gian, cốt thép trong bê tông sẽ bị ăn mòn dưới tác động của môi trường như môi trường ngập hoản toàn trong nước biển, nước ngầm, nước mặn như ở vùng đất, ao hỗ, sông ngòi nhiễm mặn; hoặc tại vùng nước nhiễm mặn thay đôi thường xuyên; hoặc trong môi trường không khí trên va ven bién, sông ngòi nhiễm man; môi trường hóa chất hoặc chất thải công nghiệp; hoặc môi trường đất bị nhiễm phèn có độ pH dưới 12; hoặc tác động hỗn hợp của nhiều môi trường nêu trên.
Từ quan sát thực tế, nhiều công trình xây dựng trong môi trường tự nhiên tại khu vực ven biển, cốt thép của công trình hầu hết bị ăn mòn do môi trường nhiễm mặn. Điều kiện xảy ra ăn mòn cốt thép trong bê tông là khi lớp màn thụ động bảo vệ cốt thép bi phá dỡ. Có các dạng ăn mòn chủ yếu gồm: ăn mòn do điện hóa; ăn mòn do sự xâm nhập hóa ion CI và do sự carbonat hóa bê tông quanh cốt thép. Ăn mòn do điện hóa là dạng ăn mòn chủ yếu xảy ra nhiều trong môi trường có độ âm ướt thường xuyên thay đổi; oxy và nước dễ thâm nhập qua lớp bê tông bảo vệ như nơi mực nước triều thường xuyên thay đối.
Sự ăn mòn xảy ra do các nguyên tử sắt trong cốt thép tách ra thành các ion mạch điện do sự tác động của các ion OH- có săn trong trường bê tông quanh cốt thép tạo thành lớp gỉ sắt xFeO.zH2O (hoặc có thé là Fe3O4. Các thành phan gi sắt này làm tăng thé tích 4-6 lần, làm phát sinh ứng suất, phá vỡ lớp bê tông bảo vệ. đây nhanh hơn quá trình ăn mòn. An mòn do thấm ion CI là dang ăn mòn chủ yếu xảy ra do sự thâm nhập của ion Cl trong môi trường xung quanh kết cau bê tông cốt thép như ở môi trường nước biến, không khí và chất thải công nghiệp có chứa ion Cl’.
Cơ chế ăn mòn là do khi ion Cl- khuyếch tán đến bề mặt cốt thép, tạo nên sự ăn mòn bang cách hòa tan lớp bao vệ Trang 4 Chương 2. Tong quan thụ động quanh cốt thép hoặc xuyên qua lớp nảy, tạo ra các lỗ trên bề mặt kim loại, làm tỉ lệ diện tích catỗt/anốt tăng lên, làm tăng tốc độ ăn mòn cốt thép. Ăn mòn do sự carbonnat hóa bê tông quanh cốt thép là dạng ăn mòn chủ yếu xảy ra trong môi trường không khí, nước có chứa CO2. Cơ chế ăn mòn này diễn ra do khí CO, tác dụng lên vùng chứa vôi của vữa bêtông tạo ra cacbonat canxi CaCOa, dan đến sự sụt giảm tính kiềm (độ pH), làm thay đối độ xốp của bê tông, giảm độ chống thấm, dẫn đến sự ăn mòn cốt thép.2 SƠ LƯỢC LICH SU PHÁT TRIEN VA VÀ DAC TÍNH KỸ THUAT CUA LƯỚI SỢI CARBON (CFRP) 2.1 Sơ lược lịch sử phát triển Vật liệu gia cường FRP được giới thiệu lần đầu vào thập niên 50 (Bank, 2006), vật liệu này được cấu tạo từ 2 thành phần chính là chất kết dính và sợi.
Chất kết dính được làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau, phổ biến nhất hiện nay nhựa polymer. Soi là thành phan chủ yếu tạo nên các đặc tính cơ lý cho FRP, sợi được làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau, pho biến nhất hiện nay là từ thủy tinh (glass fibers), aramid (aramid fibers) và carbon (carbon fibers). Tùy vào loại sợi được sử dụng mà vật liệu FRP sẽ được phân loại và có tên gọi tương ứng khác nhau là GFRP, AFRP và CFRP (viết tắt của chữ tiếng Anh Carbon Fiber Reinforced Polymer hoặc Carbon Fiber Reinforced Plastic). Soi cacbon trên thị trường thường có đường kính 7 - 10um được cau tạo từ khoảng 30.
Sản phẩm nay được sản xuất chủ yếu bởi một số công ty như Toray, Toho Rayon và Mitsubishi Rayon của Nhật; Hexcel, Zoltek, Aldila, Hughes Brothers, Strongwell va FyfeCo của Mỹ; SGL cua Duc; Tai-Quang cua Han Quốc; Formosa của Đài Loan- Trung Quốc; Clever Reinforcement AG, Sika của Thụy Si; S&P ở Áo; và số it các công ty khác năm được kỹ thuật công nghệ dé sản xuất sợi cacbon. Theo nhu cầu sử dụng khác nhau, các nhà sản xuất tạo thành bán thành phẩm và sản phẩm định hình dưới dạng cuộn sợi, dạng thanh, lưới (vải) sợi dệt sẵn. Đối với lưới sợi carbon hiện nay có 4 dạng pho biến là: dệt tron; dét chéo; tron min va soc don (Hinh 2.1 Một số dạng sản phẩm lưới sợi carbon Việc sử dụng vật liệu FRP để gia cường kết cấu bê tông đã được triển khai thực hiện cuối những năm 1980 ở chau Au (đặc biệt la Thuy Si) và ở Nhat Ban. Một thoi gian sau nó được nghiên cứu ứng dụng tại Hoa Ky va Canada.
Ban dau, việc nghiên cứu chủ yếu tập trung vào việc gia cường cho kết cau chịu uốn bê tông và gỗ. Tiếp theo nối là các nghiên cứu sử dụng các loại tấm và vải FRP để phục hồi các cột bê tông ; đặc biệt là các trụ cầu đường cao tốc chịu tải trọng ngang do động đất. Gia cường chống cắt băng vật liệu FRP cho dầm bê tông đã được nghiên cứu từ những năm dau thập niên 1990 và được ứng dụng nhiều trong các kết cầu bê tông, đặc biệt là kết cau bê tông dự ứng lực dầm chữ T (Bank, 2006). Việc kết dính tam, vải gia cường FRP lên bề mặt kết cầu dầm bê tông chịu uốn đã được nghiên cứu ứng dung dau tiên ở Thụy Sĩ vào cuối những năm 1980 bởi Meier và các đồng nghiệp của tai Trung tâm EMPA (1995).
Vải soi FRP đã được sử dụng trong hàng trăm tòa nhà, cây cầu và các ống khói ở châu Âu (Taerwe va Matthys, 1999). Ké từ giữa năm 1990, sau khi dùng cho kết cau ứng lực băng vật liệu FRP được thương mại hóa, hàng trăm dự án nghiên cứu và hàng ngàn ứng dụng FRP để gia cường cho kết cau chịu tải trọng tinh hoặc động (tải trọng xe cộ, gid) đã được thực hiện trên toàn thế giới (Bank, 2006).2 Tính chất của lưới sợi carbon (CFRP) Các loại lưới sợi cacbon đêu có đặc điêm chung là có độ bên rat cao, dé uôn theo hình dang bat ky, tro về mặt hóa học nên không chịu tác động của môi trường xâm Trang 6 Chương 2. Tong quan thực. Cường độ chịu kéo và độ dẻo dai phụ thuộc vao kiểu sợi, hướng sợi và chất lượi sợi.
Các tính chất của vật liệu này được thé hiện tại Bang 2.1: Tính chất cơ lý của vật liệu CERP (theo ACI 440.2R (2017)) Số thứ tự Tính chất cơ lý Giá trị | Khối lượng riêng (Tắn/m”) 15-16 2 Hệ số giãn nở nhiệt 2.1 Theo chiều dọc (x10°/°C) (-1) - 0 2.2 Theo chiếu dọc (x10°/°C) 22-50 3 Tính chất cơ học 3.1 M6 dun đàn hôi nhỏ nhất (GPa) 100 - 1040 3.2 Cuong độ chịu kéo (MPa) 2.3 Biến dạng nhỏ nhất (%) 0,2—- I5 2.3 Tính chất của của keo kết dính Chất kết dính giữa các sợi carbon và giữa tam, sợi carbon với bê tông gồm có keo epoxy, polyester, vynil-ester. Trong đó, hiện nay sử dung phổ biến là keo epoxy, keo dán này có những đặc tính như: = Có khả năng tự thâm thâm xuyên qua các 16 siêu nhỏ trong bê tông, nhằm tạo sự liên kết gắn chắc giữa vật liệu gia cường và bê tông (Hình 2.2): = Tham thấu sâu và liên kết đồng đều giữa các sợi carbon: = Có độ nhớt thấp, nhằm đảm bảo sự thẫm đồng đều khi thi công; =" Keo dán bên với hau hêt môi trường xâm thực, có độ bám dính rat cao. Trang 7 Chương 2. Tổng quan Sự thâm thấu sâu và đông đêu.
Giúp truyên lực lên sợi côt liệu Hình 2.2 Khả năng tự thâm thấu của keo Epoxy 2.3 TINH HÌNH NGHIÊN CUU, UNG DỤNG LƯỚI SOI CARBON DE GIA CUONG CHO DAM BTCT TRONG MOI TRUONG XAM THUC 2.1 Tình hình nghiên cứu về gia cường CFRP cho dam bị ăn mòn Soudki và cộng sự (2000) trình bày các kết quả của một thí nghiệm nhiều giai đoạn được tiễn hành tại Dai hoc Waterloo dé điều tra tính kha thi của việc sử dụng tam FRP dán ngoài dé phục hồi dam BTCT hu hỏng do ăn mòn. Một số dầm bê tông cốt thép có hàm lượng clorua biến thiên (0 đến 3%) được chế tao. Các dầm đã được gia cường hoặc sửa chữa bang cách dán tam FRP ngoài bề mặt bêtông. Cốt thép được tăng tốc ăn mòn bang điện thé, mức độ ăn mòn lên tới 15% khối lượng.
Các biến được được sử dụng trên tâm FRP để đo biến dạng kéo gây ra bởi quá trình ăn mòn. Sau giai đoạn ăn mòn, mẫu dầm được thí nghiệm uốn bốn điểm. Kết quả thí nghiệm cho thấy tam FRP có tác dụng hạn chế các vết nứt do ăn mòn và phá hoại do sự gia tăng các sản phẩm ăn mòn.