Tổng quan luận án
Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng (Mã số: 9580201) của tác giả Huỳnh Xuân Tín, thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh năm 2023 dưới sự hướng dẫn của PGS. Nguyễn Minh Long và PGS. Ngô Hữu Cường, tập trung giải quyết bài toán ứng xử nén của cột bê tông cốt thép (BTCT) bị hư hỏng do tác động môi trường được gia cường bó hông bằng vật liệu polymer gia cường sợi các-bon (CFRP) và sợi ba-zan (BFRP).
Trong môi trường biển, vùng ngập mặn chịu chu kỳ khô - ướt hoặc môi trường hóa chất công nghiệp, các cấu kiện cột BTCT chịu tác động xâm thực mạnh từ ion sun-phát ($SO_4^{2-}$) và ion clo ($Cl^-$). Quá trình xâm thực của sun-phát phản ứng với các khoáng trong xi măng tạo ra thạch cao ($gypsum$) và $ettringite$, gây trương nở thể tích, nứt nẻ và làm xốp rỗng cấu trúc bê tông bảo vệ. Song song đó, ion clo và nước xâm nhập phá vỡ màng thụ động của cốt thép, hình thành các sản phẩm gỉ trương nở thể tích, dẫn đến suy giảm diện tích làm việc của cốt thép, suy thoái lực dính bám bê tông - cốt thép và làm nứt vỡ lớp bê tông ngoài. Phương pháp truyền thống (đục bỏ bê tông hỏng, tẩy gỉ, cấy thép, đổ bù vữa cường độ cao) tốn kém và làm tăng trọng lượng công trình. Giải pháp bọc ngoài bằng tấm composite FRP đã được chứng minh hiệu quả nhưng các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào cấu kiện nguyên vẹn chịu nén đúng tâm, hoặc mẫu thử quy mô nhỏ không phản ánh đúng cấu tạo cốt thép thực tế. Đặc biệt, nghiên cứu về tác động của ion sun-phát đến cột BTCT gia cường FRP và hiệu quả làm việc của tấm BFRP trong điều kiện nén lệch tâm có cốt thép bị ăn mòn vẫn còn rất thiếu vắng dữ liệu định lượng.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác lập gồm 4 nội dung:
- Khảo sát thực nghiệm và đánh giá định lượng ảnh hưởng của ion sun-phát đến hiệu quả gia cường bó hông của tấm CFRP cho cột BTCT.
- Phân tích thực nghiệm ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép dọc và cốt thép đai đến hiệu quả gia cường bó hông của tấm CFRP/BFRP cho cột BTCT chịu nén lệch tâm với độ lệch tâm khác nhau.
- Phân tích tương tác giữa các thành phần tham gia chịu lực (cốt đai, cốt dọc, lưới sợi CFRP/BFRP gia cường bó hông và dán dọc) và độ lệch tâm đến ứng xử tổng thể cùng khả năng chịu nén của cột BTCT.
- Đề xuất quy trình tính toán khả năng chịu nén lệch tâm của cột BTCT có cốt thép bị ăn mòn được gia cường bó hông bằng tấm CFRP/BFRP, có xét đến ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép, độ lệch tâm và số lớp tấm gia cường bó hông.
Đối tượng nghiên cứu là cột BTCT chịu nén đúng tâm và nén lệch tâm được gia cường bằng tấm composite sợi CFRP và BFRP. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở các cấu kiện cột ngắn có tỷ số độ mảnh $l_u/b \le 4$, mặt cắt vuông kích thước $200 \times 200 \times 800\text{ mm}$. Cường độ chịu nén của bê tông nằm trong dải thông dụng từ $25\text{ MPa}$ đến $60\text{ MPa}$. Hàm lượng cốt thép dọc được khảo sát ở mức 2,0% và 2,3%; hàm lượng cốt thép đai là 0,3% và 0,4%. Tác động môi trường được mô phỏng qua dung dịch muối magiê sun-phát ($MgSO_4$) nồng độ 7% theo chu kỳ khô/ướt; mức độ ăn mòn cốt thép (dọc và đai) được tạo trước bằng phương pháp ăn mòn điện hóa/ngâm hóa chất axít $H_2SO_4$ ở 3 cấp độ: 0%, 15% và 30% khối lượng hao hụt, không tẩy gỉ trước khi đúc bê tông nhằm bảo toàn trạng thái suy giảm dính bám thực tế.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Tổng quan tài liệu của luận án hệ thống hóa các nhóm nghiên cứu và tiêu chuẩn thiết kế quốc tế về gia cường kết cấu BTCT bằng vật liệu FRP:
- Các nghiên cứu nền tảng về hiệu ứng bó hông và mô hình ứng xử: Nghiên cứu kinh điển của Richart (1928, 1929) về bê tông chịu nén ba trục đặt nền móng cho việc xác định ứng suất bó hông; mô hình bê tông bị bó hông bởi cốt đai của Mander và cộng sự (1988); các mô hình ứng suất - biến dạng cho bê tông bó hông bằng vật liệu FRP của Fardis và Khalilli (1981), Saadatmanesh và cộng sự (1994), Samaan và cộng sự (1998), Spoelstra và Monti (1999), cùng mô hình hướng thiết kế của Lam và Teng (2002, 2003).
- Các nghiên cứu về cột BTCT gia cường FRP chịu nén đúng tâm và tác động môi trường: Các công trình của Nanni và Bradford (1995), Demers và Neale (1999), Masia và cộng sự (2004), Chastre và Silva (2010), Al-Salloum và cộng sự (2012) khảo sát hiệu quả phục hồi khả năng chịu lực của màng bọc FRP. Về tác động xâm thực, Zhou và cộng sự (2020) nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường $MgSO_4$ qua chu kỳ khô/ướt đến mẫu trụ bê tông không cốt thép kích thước nhỏ $150 \times 300\text{ mm}$, ghi nhận suy giảm cường độ đột ngột nhưng chưa phản ánh được sự làm việc tương hỗ giữa cốt thép và bê tông trong cột thực.
- Các nghiên cứu về cột BTCT bị ăn mòn chịu nén lệch tâm gia cường FRP: Maaddawy (2008) thí nghiệm 16 cột kích thước $250 \times 250 \times 1200\text{ mm}$ với độ ăn mòn lồng thép 4,25% chịu nén với tỷ số độ lệch tâm tương đối $e/h$ từ 0,3 đến 0,86; Chotickai và cộng sự (2019) thí nghiệm 12 cột $125 \times 125 \times 1375\text{ mm}$ chịu nén với $e/h = 1,0$ ở các mức ăn mòn 0%, 10% và 20%.
- Hệ thống tiêu chuẩn và hướng dẫn thiết kế: ACI 440.2R (Mỹ), fib Bulletin 14 (Châu Âu), CSA S806 và ISIS Design Manual (Canada), JSCE và JCI (Nhật Bản), CNR-DT 200 (Ý).
Khoảng trống học thuật mà luận án xác định và giải quyết bao gồm:
- Thiếu các dữ liệu thực nghiệm quy mô trung bình ($200 \times 200 \times 800\text{ mm}$) có bố trí cốt thép đầy đủ để định lượng sự suy thoái độ cứng, biến dạng và sự phân chia tỷ lệ chịu tải giữa lõi bê tông và lớp bọc CFRP khi chịu xâm thực ion sun-phát theo chu kỳ khô/ướt.
- Chưa có nghiên cứu đánh giá toàn diện về ứng xử nén lệch tâm của cột BTCT có cốt thép bị ăn mòn ở các cấp độ khác nhau khi được gia cường bằng tấm sợi ba-zan (BFRP) so sánh trực tiếp với tấm sợi các-bon (CFRP).
- Các mô hình giải tích và tiêu chuẩn thiết kế hiện hành (ACI 440.2R-17, fib Bulletin 14) chưa thiết lập công thức tính toán khả năng chịu nén lệch tâm đồng thời xét đến sự suy giảm của cốt thép bị ăn mòn (cốt dọc, cốt đai) kết hợp với hệ số suy giảm hiệu quả bó hông do độ lệch tâm gây ra.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết và mô hình tính toán
Luận án dựa trên lý thuyết cơ học kết cấu BTCT, lý thuyết biến dạng dẻo và cơ học phá hủy vật liệu composite. Khung phân tích sử dụng hai mô hình ứng suất - biến dạng cốt lõi:
-
Mô hình Mander và cộng sự (1988): Dùng để tính toán ứng suất bó hông của cốt thép đai ($f'l$) và cường độ bê tông bị bó hông bởi cốt đai ($f'{cc}$):
$$f'_{cc} = f'_c \left( -1,254 + 2,254 \sqrt{1 + 7,94\frac{f'_l}{f'_c}} - 2\frac{f'_l}{f'_c} \right)$$
trong đó $f'l = k_e f_l$, với $k_e$ là hệ số bó hông hiệu quả phụ thuộc vào khoảng cách đai $s'$, kích thước cốt đai $b_c, d_c$ và diện tích cốt thép dọc $A{sl}$.
-
Mô hình Lam và Teng (2002, 2003): Dùng để mô tả ứng xử của bê tông bị bó hông bằng tấm FRP, đường cong gồm nhánh parabol bậc hai ban đầu nối tiếp nhánh tuyến tính:
$$\sigma_c = \begin{cases} E_c \varepsilon_c - \dfrac{(E_c - E_2)^2}{4 f_{co}} \varepsilon_c^2 & (0 \le \varepsilon_c \le \varepsilon_t) \ f_{co} + E_2 \varepsilon_c & (\varepsilon_t \le \varepsilon_c \le \varepsilon_{cu}) \end{cases}$$
Cường độ nén của bê tông bó hông $f_{cc}$ và biến dạng cực hạn $\varepsilon_{cu}$ xác định theo:
$$f_{cc} = f_{co} + k_1 k_{s1} f_l$$
$$\varepsilon_{cu} = \varepsilon_{co} \left( 1,5 + k_2 k_{s2} \frac{f_l}{f_{co}} \left( \frac{\varepsilon_{h,rup}}{\varepsilon_{co}} \right)^{0,45} \right)$$
trong đó hệ số hiệu quả bó hông $k_1 = 3,3$, $k_2 = 12$; hệ số hình dạng mặt cắt vuông $k_{s1} = (b/h)(A_e/A_c)$, $k_{s2} = (h/b)(A_e/A_c)$; $f_l$ là ứng suất bó hông danh định do tấm FRP tạo ra:
$$f_l = \frac{2 E_f n_f t_f \varepsilon_{h,rup}}{D}$$
với đường kính tương đương $D = \sqrt{b^2 + h^2}$ và biến dạng đứt thực tế $\varepsilon_{h,rup} = k_\varepsilon \varepsilon_{fu}$ ($k_\varepsilon = 0,586$).
-
Trạng thái tương thích biến dạng trên mặt cắt chịu nén - uốn: Biểu đồ tương tác lực dọc - mô-men ($P-M$) được xây dựng trên nguyên lý mặt cắt phẳng (Euler-Bernoulli), điều kiện cân bằng tĩnh học lực dọc trục $N = \int \sigma dA$ và mô-men uốn $M = \int \sigma y dA$.
| Thông số cơ học vật liệu |
Thép |
CFRP |
BFRP |
Keo Epoxy |
| Cường độ chịu kéo (MPa) |
483 – 690 |
3440 – 4140 |
1258 – 2450 |
55 – 130 |
| Mô-đun đàn hồi $\times 10^3$ (MPa) |
200 |
220 – 240 |
46 – 66 |
2,8 – 4,1 |
| Độ dãn dài cực hạn (%) |
6,0 – 12,0 |
1,2 – 1,5 |
2,0 – 4,4 |
— |
| Hệ số giãn nở nhiệt dọc trục ($\times 10^{-6}/^\circ\text{C}$) |
11,7 |
-1,0 đến 0 |
— |
— |
Phương pháp nghiên cứu thực tế
Luận án triển khai ba phương pháp nghiên cứu phối hợp:
- Phương pháp thực nghiệm: Thực hiện chế tạo và thí nghiệm phá hủy trên 64 mẫu cột BTCT ngắn kích thước $200 \times 200 \times 800\text{ mm}$ tại phòng thí nghiệm BKSEL. Sử dụng hệ thống gia tải thủy lực, hệ thống đo biến dạng bằng cảm biến điện trở (Strain Gauge - SG) dán trên bê tông, thép dọc, thép đai, tấm FRP, cùng hệ thống chuyển vị kế điện tử (LVDT) để ghi nhận quan hệ lực - biến dạng, độ nở hông và độ suy giảm độ cứng.
- Phương pháp thống kê hồi quy: Xử lý tập số liệu thực nghiệm để thiết lập mối tương quan giữa biến dạng trung bình của tấm FRP tại thời điểm phá hoại với các tham số: độ lệch tâm tương đối ($e/h$), mức độ ăn mòn cốt thép ($Q_{corr}$), hàm lượng cốt dọc và cốt đai.
- Phương pháp tính toán giải tích: Thiết lập và giải hệ phương trình phi tuyến xác định khả năng chịu lực nén lệch tâm của cột bị ăn mòn có gia cường FRP thông qua biểu đồ tương tác $P-M$ hiệu chỉnh.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan, mục tiêu, ý nghĩa và nội dung nghiên cứu
Chương 1 tổng thuật các cơ sở lý luận về cơ tính của vật liệu composite FRP, cơ chế làm việc của bê tông bị bó hông thụ động bởi cốt đai và tấm FRP. Chương này phân tích chi tiết các tiêu chuẩn thiết kế quốc tế (ACI 440.2R-17, fib Bulletin 14, CSA, JSCE) và các hạn chế trong việc áp dụng tính toán cho cấu kiện chịu tác động đồng thời của môi trường xâm thực và tải trọng lệch tâm. Trên cơ sở đó, chương xác định mục tiêu tổng quát, 4 mục tiêu cụ thể, đối tượng nghiên cứu (cột BTCT kích thước $200 \times 200 \times 800\text{ mm}$), phạm vi vật liệu (bê tông $25 - 60\text{ MPa}$, cốt thép ăn mòn 0% – 30%, dung dịch $MgSO_4$ 7%, 1 – 3 lớp CFRP/BFRP) và cấu trúc 4 chương của luận án.
Chương 2: Hiệu quả của tấm CFRP bó hông cho cột bê tông cốt thép có bê tông bị ăn mòn bởi muối sun-phát
Chương 2 trình bày chương trình thực nghiệm trên 24 mẫu cột BTCT chịu nén đúng tâm, phân thành các nhóm có số lớp bọc CFRP thay đổi (0, 1, 3 lớp), cấp độ bền bê tông khác nhau và chịu tác động của chu kỳ khô/ướt trong dung dịch $MgSO_4$ 7% (ở các mốc chu kỳ: 0, 30, 60, 90, 120 chu kỳ).
| Thông số đo đạc thực nghiệm |
Cột không gia cường (ĐK thường $\rightarrow$ Xâm thực) |
Cột gia cường 1 lớp CFRP |
Cột gia cường 3 lớp CFRP |
| Mức suy giảm sức chịu tải ($P_u$) |
Giảm tới 29,4% |
Giảm nhẹ ($\approx 3,7%$) |
Gần như không đổi |
| Mức suy giảm độ cứng dọc trục ($EA_0$) |
Giảm tới 36,0% |
Giảm 15,2% – 22,1% |
Giảm dưới 10% |
| Tăng chuyển vị dọc trục cực hạn ($\delta_{u,v}$) |
Tăng đến 40,0% |
Tăng 180% – 250% |
Tăng 300% – 500% |
| Khả năng ngăn chặn ion $SO_4^{2-}$ thâm nhập |
0% (Bị xâm thực hoàn toàn) |
Ngăn chặn đến 82% |
Ngăn chặn đến 90% |
| Tỷ lệ đóng góp chịu lực của tấm CFRP |
0% |
18% – 28% |
32% – 46% |
| Tỷ lệ đóng góp chịu lực của lõi bê tông |
100% |
72% – 82% |
54% – 68% |
Các phát hiện chính của chương:
- Dung dịch sun-phát làm xốp rỗng bê tông bảo vệ, khiến độ cứng ban đầu ($EA_0$) giảm mạnh đến 36,0%, làm chuyển vị dọc trục tăng tới 40,0%.
- Lớp bọc CFRP thể hiện tính năng bảo vệ cao, ngăn chặn đến 90% sự thâm nhập của ion sun-phát vào lõi bê tông, giữ cho sức chịu tải của cột gia cường chỉ suy giảm nhẹ khoảng 3,7% so với mức giảm 29,4% của cột không bọc.
- Khả năng biến dạng và hấp thụ năng lượng của cột bọc CFRP tăng gấp 3 đến 5 lần so với cột đối chứng. Sự đóng góp của màng CFRP vào tổng khả năng chịu lực của cột dao động từ 18% đến 46%, tỷ lệ này tăng theo số lớp bọc và giảm khi cường độ bê tông ban đầu tăng.
Chương 3: Ảnh hưởng của ăn mòn cốt thép đến ứng xử nén lệch tâm của cột BTCT được gia cường bó hông bằng tấm CFRP/BFRP
Chương 3 triển khai chương trình thực nghiệm trên 40 mẫu cột BTCT chịu nén lệch tâm với độ lệch tâm tương đối $e/h = 0,125$ và $e/h = 0,375$. Các tham số khảo sát gồm mức độ ăn mòn lồng thép ($Q_{corr} = 0%, 15%, 30%$), loại vật liệu sợi (CFRP và BFRP), và số lớp bọc (1 lớp, 3 lớp bọc bó hông kết hợp dán tăng cường uốn dọc).
| Chỉ tiêu ứng xử nén lệch tâm |
Nhóm cột không gia cường |
Nhóm gia cường CFRP |
Nhóm gia cường BFRP |
| Mức giảm sức chịu tải do ăn mòn thép |
Giảm đến 23,0% |
Giảm tối đa 11,0% |
Giảm từ 11,5% – 13,0% |
| Mức tăng sức chịu tải so với đối chứng |
0% |
Tăng từ 25,0% đến 47,0% |
Tăng từ 18,0% đến 35,0% |
| Độ dẻo dai ($\mu$) và độ tiêu tán năng lượng |
Thấp, phá hoại giòn khi ăn mòn |
Tăng 2,2 – 3,8 lần |
Tăng 2,5 – 4,5 lần |
| Ứng xử biến dạng ngang của tấm FRP |
— |
Biến dạng kéo cục bộ lớn |
Phân bố biến dạng đều hơn |
Kết quả thực nghiệm cho thấy:
- Hiện tượng ăn mòn làm đứt gãy sớm cốt đai và bong tróc lớp bê tông bảo vệ, làm khả năng chịu lực của cột không gia cường giảm tới 23,0%. Việc bọc CFRP/BFRP giúp kiểm soát biến dạng nở hông, duy trì liên kết bê tông lõi, hạn chế mức giảm sức chịu tải chỉ còn tối đa 11,0%.
- Hiệu quả tăng cường sức chịu nén lệch tâm của tấm FRP tăng tỷ lệ thuận với mức độ ăn mòn của cốt thép (đạt mức cải thiện cao nhất 47,0% ở mẫu ăn mòn 30%), do màng bọc FRP thay thế vai trò chịu kéo hông của hệ cốt đai đã bị suy thoái.
- Khi tăng độ lệch tâm từ $e/h = 0,125$ lên $e/h = 0,375$, hiệu quả bó hông của tấm FRP giảm rõ rệt do phân bố ứng suất nén không đều trên mặt cắt ngang. Tấm BFRP thể hiện biến dạng dẻo dai cao hơn CFRP trước khi đứt gãy, chứng minh tính khả thi kỹ thuật làm vật liệu thay thế có hiệu quả kinh tế.
Chương 4: Hiệu chỉnh mô hình tính toán khả năng chịu nén lệch tâm của cột BTCT có cốt thép bị ăn mòn được gia cường bó hông bằng tấm CFRP/BFRP
Chương 4 tập trung vào việc đánh giá sai số của các mô hình hiện hành và thiết lập mô hình tính toán giải tích hiệu chỉnh:
- Đánh giá các mô hình của Maaddawy (2008), Chotickai và cộng sự (2019) và ACI 440.2R-17 cho thấy các mô hình này hoặc bỏ qua độ ăn mòn cốt dọc, hoặc đánh giá quá cao ứng suất bó hông do chưa xét đến sự suy giảm biến dạng hiệu quả của tấm FRP dưới tải trọng lệch tâm lớn.
- Đề xuất các hệ số hiệu chỉnh đưa vào tính toán trạng thái cân bằng tiết diện $P-M$:
- Hệ số chiết giảm diện tích tiết diện cốt thép dọc: $k_{corr,As} = 1 - 0,01 Q_{long}$.
- Hệ số chiết giảm giới hạn chảy của cốt thép: $k_{corr,fs} = 1 - \alpha_{corr} Q_{corr}$.
- Hệ số suy giảm biến dạng hiệu quả trung bình của tấm FRP bó hông: tích hợp cụm hệ số $\varepsilon_{f,avg}/\varepsilon_{fu} = f(C_{eh}, C_{sf}, C_{wf})$, trong đó $C_{eh}$ xét đến tỷ số độ lệch tâm $e/h$, $C_{sf}$ xét đến tương quan cốt thép dọc, và $C_{wf}$ xét đến cốt đai.
- Kiểm chứng mô hình hiệu chỉnh với 40 mẫu thí nghiệm của luận án và các cơ sở dữ liệu thực nghiệm đã công bố cho kết quả dự báo có độ tin cậy cao, tỷ số giữa giá trị tính toán và thực nghiệm xấp xỉ 0,95 – 1,02 với hệ số biến thiên (COV) nhỏ, bảo đảm an toàn chịu lực trong thiết kế công trình.
Kết quả và những đóng góp mới
Luận án đã đạt được các kết quả khoa học và đóng góp mới gồm:
Đóng góp về mặt khoa học lý luận
- Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm có hệ thống gồm 64 cấu kiện cột BTCT kích thước chuẩn $200 \times 200 \times 800\text{ mm}$ chịu nén đúng tâm và nén lệch tâm, trong các điều kiện xâm thực ion sun-phát và ăn mòn cốt thép đến 30% khối lượng.
- Làm sáng tỏ cơ chế tương tác và định lượng mức độ đóng góp chịu tải giữa lõi bê tông (54% – 82%) và màng bọc CFRP (18% – 46%) dưới tác động phá hủy cấu trúc của chu kỳ khô/ướt muối sun-phát.
- Xác lập mối quan hệ định lượng giữa độ lệch tâm ($e/h$), mức độ ăn mòn cốt thép ($Q_{corr}$) và sự suy giảm biến dạng hiệu quả của màng bọc CFRP và BFRP, làm rõ cơ chế làm việc dẻo dai của vật liệu BFRP trong kết cấu cột BTCT bị ăn mòn.
- Xây dựng thành công công thức hiệu chỉnh tính toán biểu đồ tương tác $P-M$ cho cột BTCT bị ăn mòn gia cường FRP, tích hợp đồng thời sự suy giảm cơ tính của cốt thép và hệ số hiệu chỉnh ứng suất bó hông do độ lệch tâm.
Đóng góp về mặt thực tiễn
- Chứng minh khả năng ứng dụng thực tế của tấm BFRP như một giải pháp thay thế CFRP có hiệu quả kỹ thuật và chi phí thấp hơn trong việc sửa chữa, kéo dài tuổi thọ các công trình cầu cảng, trụ cầu vùng ven biển.
- Cung cấp quy trình tính toán khả năng chịu tải nén lệch tâm cụ thể, làm tài liệu tham khảo trực tiếp cho các kỹ sư tư vấn thiết kế trong công tác thẩm định an toàn và lập phương án gia cường kết cấu BTCT bị suy thoái do môi trường.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của luận án:
- Phạm vi thực nghiệm chỉ khảo sát trên cấu kiện cột ngắn có mặt cắt ngang hình vuông ($200 \times 200\text{ mm}$), chưa khảo sát các dạng mặt cắt hình chữ nhật có tỷ lệ cạnh lớn, mặt cắt tròn hay các cột có độ mảnh lớn ($l_u/b > 4$) chịu hiệu ứng uốn dọc bậc hai ($P-\Delta$).
- Hai quá trình xâm thực bê tông bởi ion sun-phát và ăn mòn cốt thép được thực hiện tuần tự và độc lập trong hai chương trình thí nghiệm riêng biệt để kiểm soát thông số, chưa thực hiện đồng thời hai tác nhân xâm thực này trên cùng một mẫu thí nghiệm.
Hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo:
- Mở rộng nghiên cứu thực nghiệm trên các cột BTCT chịu tải trọng lệch tâm hai phương, cột mảnh chịu tải trọng động đất hoặc tải trọng lặp chu kỳ cao.
- Khảo sát sự suy thoái dính bám giữa lớp keo dán epoxy với bề mặt bê tông ẩm ướt trong điều kiện ngập nước liên tục dài hạn.
- Tiếp tục kiểm chứng và tinh chỉnh các hệ số của mô hình giải tích trên tập dữ liệu thực nghiệm đa dạng hơn về quy mô hình học.
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn cho các đối tượng:
- Nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng, Công trình Giao thông, Công trình Thủy: Kế thừa phương pháp thiết kế thực nghiệm mô phỏng ăn mòn nhân tạo, phương pháp đo đạc biến dạng composite và quy trình xử lý hồi quy xây dựng mô hình giải tích.
- Kỹ sư kết cấu và chuyên gia gia cố sửa chữa công trình: Ứng dụng trực tiếp quy trình tính toán thiết kế gia cường màng bọc CFRP/BFRP cho cột trụ hiện hữu bị nứt vỡ, ăn mòn do muối biển hoặc sun-phát, lựa chọn hợp lý giữa sợi các-bon và sợi ba-zan theo yêu cầu kinh tế - kỹ thuật.
- Các ban soạn thảo tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng: Cung cấp cơ sở thực nghiệm tin cậy để bổ sung các điều khoản kiểm tra khả năng chịu nén lệch tâm và hệ số chiết giảm môi trường trong tiêu chuẩn thiết kế kết cấu BTCT gia cường FRP tại Việt Nam.
Câu hỏi thường gặp
1. Tác động của ion sun-phát ($MgSO_4$) làm suy giảm các chỉ tiêu cơ học nào của cột BTCT và mức độ suy giảm ra sao?
Theo số liệu thực nghiệm tại Chương 2, tác động của chu kỳ khô/ướt trong dung dịch $MgSO_4$ 7% làm giảm độ cứng dọc trục ban đầu ($EA_0$) của cột lên tới 36,0%, kéo theo sự gia tăng chuyển vị dọc trục cực hạn lên tới 40,0%. Đối với cột BTCT không được gia cường, khả năng chịu nén cực hạn ($P_u$) bị suy giảm đến 29,4%.
2. Màng bọc CFRP có hiệu quả bảo vệ như thế nào đối với cột chịu xâm thực sun-phát?
Màng bọc CFRP ngăn chặn được tới 90% sự thâm nhập của ion sun-phát vào lõi bê tông. Nhờ đó, các cột được gia cường 1 đến 3 lớp CFRP chỉ bị suy giảm sức chịu nén khoảng 3,7% sau 120 chu kỳ khô/ướt (so với mức giảm 29,4% ở cột không bọc), đồng thời khả năng biến dạng của cột được cải thiện từ 3 đến 5 lần.
3. Tỷ trọng đóng góp vào khả năng chịu lực của cột giữa màng CFRP và lõi bê tông được xác định là bao nhiêu?
Kết quả phân tích định lượng chỉ ra rằng màng CFRP đóng góp từ 18% đến 46% vào tổng khả năng chịu lực nén của cột; tỷ trọng này tăng theo số lớp bọc sợi và giảm khi cường độ bê tông tăng. Trong khi đó, phần lõi bê tông đóng góp từ 54% đến 82% tổng khả năng chịu lực.
4. Khi cốt thép bị ăn mòn và cột chịu nén lệch tâm, hiệu quả gia cường của tấm CFRP và BFRP thể hiện như thế nào?
Cốt thép bị ăn mòn làm cột không gia cường giảm tới 23% sức chịu tải khi chịu nén lệch tâm, nhưng ở cột bọc CFRP/BFRP mức giảm này chỉ còn tối đa 11%. Màng bọc FRP giúp tăng sức chịu nén lệch tâm của cột bị ăn mòn lên tới 47%. Tuy nhiên, khi tăng độ lệch tâm tương đối từ $e/h = 0,125$ lên $e/h = 0,375$, hiệu quả bó hông của màng composite bị suy giảm do sự phân bố biến dạng không đều trên tiết diện.
5. Mô hình tính toán giải tích đề xuất tại Chương 4 đã hiệu chỉnh những tham số nào so với mô hình gốc?
Mô hình hiệu chỉnh đã bổ sung hệ số chiết giảm diện tích cốt thép dọc ($k_{corr,As}$), hệ số chiết giảm giới hạn chảy của thép ($k_{corr,fs}$) theo tỷ lệ ăn mòn $Q_{corr}$, và đưa vào cụm hệ số biến dạng hiệu quả $\varepsilon_{f,avg}/\varepsilon_{fu} = f(C_{eh}, C_{sf}, C_{wf})$ nhằm phản ánh chính xác sự suy giảm khả năng bó hông của tấm FRP dưới ảnh hưởng đồng thời của độ lệch tâm và mức độ ăn mòn cốt thép.
Kết luận
Luận án tiến sĩ của Huỳnh Xuân Tín đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán đánh giá định lượng và mô hình hóa ứng xử nén của cột BTCT bị suy biến do ion sun-phát và ăn mòn cốt thép được gia cường bằng tấm CFRP và BFRP. Thông qua 64 mẫu thí nghiệm thực tế, nghiên cứu đã làm rõ cơ chế làm việc, hiệu quả bảo vệ ngăn chặn xâm thực và khả năng nâng cao độ dẻo dai của vật liệu composite. Mô hình giải tích hiệu chỉnh được đề xuất đạt độ tin cậy cao, đóng góp cơ sở lý luận và công cụ tính toán thiết thực cho công tác kiểm định, sửa chữa và gia cường công trình BTCT trong điều kiện môi trường xâm thực khắc nghiệt.
