ĐẶT VẤN ĐỀ Cột bê tông cốt thép (BTCT) là một trong những cấu kiện chịu lực chính trong kết cấu công trình, rất nhạy cảm với vấn đề xâm thực do chúng thường tiếp xúc trực tiếp với các yếu tố có hại từ môi trường xung quanh như không khí (ô xi và hơi ẩm), nước (dạng lỏng) và các ion có trong nước như sun-phát, clorua, kiềm…. Các yếu tố này không chỉ gây nên hiện tượng ăn mòn cốt thép mà còn làm suy giảm chất lượng bê tông, đặc biệt giảm mạnh đối với các kết cấu BTCT thường xuyên tiếp xúc với các môi trường biển, môi trường sông ngòi kết hợp với chu kỳ lên – xuống của thủy triều hay môi trường hóa chất công nghiệp. Cơ chế ăn mòn bê tông do ion sun-phát tạo ra các sản phẩm như thạch cao hay ettringite [1]; từ đó, chúng tạo ra các lỗ rỗng và trương nở cục bộ làm cho bê tông trở nên xốp hơn cũng như hình thành các vết nứt. Trong khi đó, tác dụng của ion clorua kết hợp với nước và ô-xi thúc đẩy quá trình tạo ra các hydroxit và ô-xit sắt; từ đó tạo nên gỉ, làm giảm tiết diện thép, giảm dính bám giữa thép với bê tông và trương nở thể tích gây nứt bê tông [2] [3].
Trong môi trường công nghiệp, hàm lượng ion sun-phát cao là nhân tố chính thúc đẩy ăn mòn bê tông [4]. Bên cạnh đó, trong môi trường nhiễm mặn hay cả nước ngọt, ảnh hưởng của chu kỳ khô-ướt do mưa hoặc thủy triều làm xuất hiện các khu vực có độ ẩm 30%-50%, đây là độ ẩm lý tưởng thúc đẩy quá trình tập trung ion clorua gây ra hiện tượng ăn mòn cốt thép. Điều này có thể dễ dàng nhận thấy ở các công trình trong khu vực ven biển của Đồng bằng sông Cửu Long; nơi mà, ăn mòn sun-phát làm xốp, rỗng lớp bê tông bảo vệ của các kết cấu cột hay trụ và tạo điều kiện cho nước, ô xi và ion clorua xâm nhập vào bề mặt hình thành nên gỉ thép. Một khi cốt thép bị ăn mòn, sự trương nở của gỉ thép tạo ra các vết nứt trong bê tông và đẩy nhanh quá trình xuống cấp của kết cấu BTCT.
Tốc độ này có thể khác nhau tùy từng kết cấu cọc trụ cụ thể, mặc dùng chúng có cùng thời gian sử dụng trong cùng môi trường xâm thực. Phương pháp truyền thống để sửa chữa các cột và trụ này là loại bỏ lớp bê tông bị xâm thực, tẩy gỉ cốt thép, khoan cấy thêm cốt thép chịu lực và phục hồi bằng các vật liệu vữa bê tông có cường độ tương đương hoặc cao hơn. Gần đây, giải pháp dùng vật liệu polymer gia cường sợi (FRP) cho việc sửa chữa, gia cường nhằm kéo dài thời gian sử dụng của cấu 1 kiện BTCT nói chung và cột nói riêng đã và đang nhận được sự quan tâm rất lớn từ các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nhờ vào các ưu điểm của vật liệu FRP như không bị ăn mòn, có cường độ chịu kéo cao, trọng lượng bản thân nhẹ, không nhiễm từ và nhiễm điện, dễ thi công và lắp đặt. Tuy ảnh hưởng của ion sun-phát đến sự ăn mòn bê tông có thể tìm thấy trong nhiều nghiên cứu [1] [5] [6] nhưng số lượng nghiên cứu về ảnh hưởng của ion này tới cột BTCT gia cường tấm FRP là rất hạn chế cho đến hiện nay.
Zhou và cộng sự trong nghiên cứu [7] đã thực hiện khảo sát thực nghiệm về ảnh hưởng của chu kỳ khô – ướt của môi trường ma-giê sun-phát trong vòng 120 ngày đến sự suy giảm cường độ của bê tông cột và hiệu quả gia cường bó hông của tấm CFRP cho cột bê tông không có cốt thép chịu nén đúng tâm. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng có sự suy biến đột ngột về cường độ bê tông của cột và khả năng chịu lực của cột gia cường; tuy vậy, mẫu cột trong nghiên cứu này có kích thước nhỏ (mẫu trụ 150×300mm) và không có cốt thép nên ít nhiều làm mất đi tính thực tế của kết quả nghiên cứu. Ngoài ra, một khi cột tiếp xúc với môi trường nước theo chu kỳ trong một thời gian đủ dài, nước thẩm thấu vào lõi bê tông làm ăn mòn cốt thép, gây nên sự trương nở thể tích và có thể làm xuất hiện các vi vết nứt trong bê tông cột, làm ảnh hưởng đến ứng xử của cột và tác động đến ứng xử bó hông của tấm CFRP. Thực tế này cho thấy rất cần có một nghiên cứu đầy đủ hơn, đặc biệt trên các mẫu thí nghiệm có kích thước đủ lớn, có cấu tạo cốt thép gần giống với thực tế và phản ánh gần nhất hiện trạng của cấu kiện đã bị ảnh hưởng bởi môi trường, để có thể làm sáng tỏ hơn nữa ảnh hưởng của yếu tố sun-phát đến hiệu quả gia cường bó hông của tấm CFRP, mức độ tham gia của từng thành phần như lõi bê tông và tấm CFRP trong tổng khả năng chịu lực của cột, độ cứng dọc trục, biến dạng và độ dẻo dai của cột BTCT được gia cường bó hông bằng tấm CFRP theo tác động của các chu kỳ khô/ướt.
Liên quan đến ảnh hưởng của sự ăn mòn cốt thép trong cột, từ những năm 1990s cho đến nay, nhiều nghiên cứu liên quan đến ứng xử nén đúng tâm của cột BTCT được bó hông bằng tấm CFRP/GFRP đã được triển khai liên tục và mang tính hệ thống như [8-26]. Các nghiên cứu này đều cho thấy tấm CFRP giúp gia cường hoặc phục hồi tốt khả năng chịu lực của cột nhờ vào hiệu ứng bó hông; đồng thời ngăn chặn hiệu quả sự xâm nhập của ion clo, oxi, ion sun-phát và nước vào bê tông, làm giảm 2 tốc độ ăn mòn của bê tông và cốt thép trong cột. Tuy vậy, trong thực tế, cột trong kết cấu công trình hầu hết đều có ứng xử chịu nén lệch tâm. Khác với cột nén đúng tâm, hiện tượng biến dạng không đều của lưới FRP gia cường do ứng xử nén lệch tâm của cột làm giảm đáng kể hiệu quả gia cường kháng nở hông của tấm CFRP, và vì vậy, sự gia tăng về cường độ cũng như độ dẻo dai của cột gia cường chịu nén lệch tâm không còn nhiều như khi cột gia cường chịu nén đúng tâm [27].
Cũng cần phải nói thêm rằng, việc ngăn chặn hoàn toàn quá trình ăn mòn của cốt thép đã trong tình trạng bị ăn mòn trong cột BTCT sau một thời gian sử dụng là thật sự khó khăn về mặt kỹ thuật và rất tốn kém. Tấm FRP giúp làm chậm đi quá trình ăn mòn này, nhưng nó vẫn có thể tiếp diễn. Sự ăn mòn của cốt đai trong cột BTCT làm suy yếu khả năng kháng nở hông của chúng và gây nên hiện tượng bong tách cục bộ lớp bê tông bảo vệ vốn được liên kết chặt với tấm FRP được gia cường ở mặt ngoài của cột. Sự ăn mòn của cốt dọc trong cột gây nên sự trương nở thể tích của cốt thép, làm xuất hiện các vết nứt dọc theo trục cốt thép; điều này làm giảm khả năng bám dính giữa bê tông - cốt thép và khả năng chịu mô-men của cột khi chịu nén lệch tâm.
Cho đến hiện nay, các nghiên cứu liên quan đến việc đánh giá ảnh hưởng của mức độ ăn mòn của cốt thép chịu lực (cốt dọc và đai) đến hiệu quả gia cường của tấm FRP và các đặc trưng kết cấu (cường độ, khả năng biến dạng và độ dẻo dai) của cột BTCT chịu nén lệch tâm là rất hạn chế. Đáng nói là, so với tấm CFRP, tấm BFRP mặc dù có cường độ và mô-đun đàn hồi thấp hơn, nhưng lại có khả năng biến dạng tốt hơn và có giá thành thấp hơn đáng kể. Tấm BFRP hoàn toàn có thể là giải pháp gia cường mang tính kinh tế hơn. Tuy vậy, cho đến thời điểm hiện tại, vẫn chưa thấy một nghiên cứu nào đề cập đến hiệu quả gia cường bó hông của tấm BFRP cho trường hợp cột BTCT bị ăn mòn.
Các điều khoản nhằm xác định khả năng chịu nén lệch tâm của cột BTCT có cốt thép bị ăn mòn được bó hông bằng tấm FRP vẫn chưa được trình bày rõ trong một số hướng dẫn thiết kế kết cấu BTCT gia cường bằng tấm FRP hiện nay như [28], [29], [30] và [31]. Một vài nghiên cứu như [32] và [33] sử dụng biểu đồ tương tác P – M được xây dựng trên các phương trình cân bằng lực và mô-men truyền thống dựa trên mặt cắt tiết diện nguy hiểm nhất để xác định khả năng chịu nén lệch tâm của cột BTCT có cốt thép bị ăn mòn được bó hông bằng tấm FRP; trong đó, khả năng chịu nén của cột được xét tăng thêm do ảnh hưởng bởi ứng suất bó hông tạo nên bởi tấm 3 FRP. Mô hình [32] có xét đến ảnh hưởng của mức độ ăn mòn của cốt thép dọc chịu lực đến khả năng chịu nén của cột thông qua hệ số chiết giảm diện tích tiết diện của cốt thép. Nghiên cứu [33] đề xuất xác định khả năng chịu nén lệch tâm của cột gia cường tấm CFRP có xét đến ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép đai bằng cách sử dụng hệ số chiết giảm ứng suất bó hông của tấm CFRP; tuy nhiên, nghiên cứu chưa đánh giá được ảnh hưởng của mức độ ăn mòn của cốt dọc.
Thêm vào đó, tất cả các mô hình tính trong các hướng dẫn thiết kế và tài liệu vừa nêu trên đều chưa đề cập đến ảnh hưởng của độ lệch tâm đến hiệu quả gia cường bó hông của tấm FRP, trong khi, kết quả thực nghiệm từ nghiên cứu [32] và [34] đã chỉ ra rằng hiệu quả gia cường bó hông của tấm CFRP tỉ lệ nghịch với độ lệch tâm của cột. Việc xây dựng một mô hình tính có thể kể đến được sự ảnh hưởng đồng thời của cả mức độ ăn mòn cốt thép chịu lực (cốt dọc và cốt đai) và độ lệch tâm đến hiệu quả bó hông của tấm CFRP/BFRP cho cột BTCT nhằm giúp cho công tác thiết kế được an toàn và kinh tế hơn, vì vậy, là thật sự cần thiết. Từ những vấn đề vừa nêu trên, luận án này tập trung làm rõ một cách định lượng và có hệ thống về ứng xử nén của cột BTCT có bê tông bị suy biến bởi tác động bởi ion sun-phát và cốt thép chịu lực bị ăn mòn được bó hông bằng tấm sợi các-bon (CFRP) và tấm sợi ba-zan (BFRP).