Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Xây dựng: Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử dầm bê tông cốt thép chịu uốn bị hư hỏng do ăn mòn được gia cường bằng tấm CFRP

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:175

Thêm vào BST

Báo xấu

21
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Xây dựng "Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử dầm bê tông cốt thép chịu uốn bị hư hỏng do ăn mòn được gia cường bằng tấm CFRP" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về kết cấu dầm bê tông cốt thép bị ăn mòn trong môi trường biển; Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử uốn của kết cấu dầm bê tông cốt thép bị ăn mòn; Nghiên cứu thực nghiệm gia cường chịu uốn kết cấu dầm bê tông cốt thép bị ăn mòn bằng tấm CFRP.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Xây dựng: Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử dầm bê tông cốt thép chịu uốn bị hư hỏng do ăn mòn được gia cường bằng tấm CFRP

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI TRẦN HOÀI ANH NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU UỐN BỊ HƯ HỎNG DO ĂN MÒN ĐƯỢC GIA CƯỜNG BẰNG TẤM CFRP Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Mã ngành: 9580201 LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội – Năm 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI TRẦN HOÀI ANH NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU UỐN BỊ HƯ HỎNG DO ĂN MÒN ĐƯỢC GIA CƯỜNG BẰNG TẤM CFRP Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Mã ngành: 9580201 Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS. Nguyễn Hoàng Giang 2. PGS. TS. Lê Trung Thành Hà Nội – Năm 2022
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của các cán bộ hướng dẫn. Những số liệu và kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Trần Hoài Anh
ii LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến các thầy hướng dẫn khoa học là PGS.TS. Nguyễn Hoàng Giang và PGS.TS. Lê Trung Thành đã luôn tận tình hướng dẫn và giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô giáo và kỹ thuật viên của Bộ môn Thí nghiệm và Kiểm định công trình, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội, đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện các công việc thực nghiệm. Tôi chân thành cảm ơn các thầy cô của Khoa Xây dựng DD&CN, Phòng Quản lý đào tạo, các nhà khoa học của Trường Đại học Xây dựng Hà Nội và các trường Đại học kỹ thuật trong lĩnh vực xây dựng đã đưa ra nhiều góp ý giúp tôi có thể hoàn thiện nội dung của luận án. Tôi chân thành cảm ơn Cục Giám định nhà nước về chất lượng công trình, Cục Công tác phía Nam, Bộ Xây dựng, đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến bố mẹ, vợ con và các bạn bè, đồng nghiệp đã luôn ủng hộ tinh thần và động viên tôi vượt qua những khó khăn trong học tập, nghiên cứu đề hoàn thành luận án. Trần Hoài Anh
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .....................................................................................................i LỜI CẢM ƠN .........................................................................................................ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .............................................vii DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................... ix DANH MỤC HÌNH VẼ ......................................................................................... xi MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 1. Lý do chọn đề tài ............................................................................................. 1 2. Mục đích nghiên cứu ....................................................................................... 3 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................... 3 4. Cơ sở khoa học ................................................................................................ 3 5. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................. 4 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ....................................................... 4 7. Những đóng góp mới của luận án .................................................................... 4 8. Nội dung và cấu trúc của luận án ..................................................................... 5 CHƯƠNG 1 – NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP BỊ ĂN MÒN TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN ............................................... 6 1.1. Tổng quan về ăn mòn cốt thép trong kết cấu công trình .............................. 6 1.1.1. Cơ chế của ăn mòn cốt thép .............................................................. 6 1.1.2. Các giai đoạn của quá trình ăn mòn cốt thép ................................... 10 1.1.3. Những nguyên nhân chính gây ra ăn mòn cốt thép.......................... 11 1.2. Tổng quan về ứng xử uốn của kết cấu dầm BTCT bị ăn mòn.................... 18 1.2.1. Trên thế giới ................................................................................... 18 1.2.2. Ở Việt Nam .................................................................................... 22 1.3. Tổng quan về sửa chữa và gia cường kết cấu BTCT bị ăn mòn ................... 29 1.3.1. Các phương pháp sửa chữa và gia cường kết cấu BTCT bị ăn mòn ...... 29 1.3.2. Cấu tạo của vật liệu FRP ................................................................ 33
iv 1.3.3. Các đặc điểm của vật liệu FRP ............................................................. 35 1.3.4. Tình hình nghiên cứu gia cường kết cấu BTCT bằng tấm sợi FRP ....... 39 1.4. Kết luận Chương 1 ................................................................................... 50 CHƯƠNG 2 – NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ UỐN CỦA KẾT CẤU DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP BỊ ĂN MÒN........................................................... 52 2.1. Thiết lập mô hình thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép .............................. 52 2.1.1. Mục đích thí nghiệm ....................................................................... 52 2.1.2. Nguyên lý thí nghiệm ..................................................................... 52 2.1.3. Mô hình thí nghiệm ........................................................................ 53 2.1.4. Quy trình thí nghiệm ...................................................................... 54 2.2. Thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép trên các mẫu thử ............................... 55 2.2.1. Vật liệu sử dụng ............................................................................. 56 2.2.2. Mẫu thử .......................................................................................... 58 2.2.3. Áp dụng mô hình thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép........................... 59 2.2.4. Kết quả thực nghiệm trên các mẫu thử ............................................ 60 2.2.5. Xác định hệ số hiệu chỉnh định luật Faraday đối với mẫu thử BTCT .. ....................................................................................................... 64 2.3. Thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép trên các mẫu dầm BTCT................... 66 2.3.1. Vật liệu sử dụng ............................................................................. 66 2.3.2. Mẫu dầm thí nghiệm ....................................................................... 67 2.3.3. Áp dụng mô hình thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép ..................... 68 2.3.4. Xác định mức độ ăn mòn cốt thép ........................................................ 69 2.4. Thực nghiệm ứng xử uốn của kết cấu dầm BTCT bị ăn mòn .................... 72 2.4.1. Mục đích thí nghiệm ....................................................................... 72 2.4.2. Sơ đồ thí nghiệm ............................................................................ 72 2.4.3. Quan hệ giữa tải trọng và độ võng .................................................. 73
v 3.2.4. Phân tích ảnh hưởng của ăn mòn cốt thép dọc đến ứng xử uốn của dầm BTCT ....................................................................................................... 77 2.5. Sơ đồ vết nứt bê tông trên dầm BTCT ...................................................... 80 2.5.1. Sơ đồ vết nứt bê tông do ăn mòn .................................................... 80 2.5.2. Sơ đồ vết nứt bê tông do tải trọng ................................................... 85 2.6. Kết luận Chương 2 ...................................................................................... 90 CHƯƠNG 3 – NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM GIA CƯỜNG CHỊU UỐN KẾT CẤU DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP BỊ ĂN MÒN BẰNG TẤM CFRP.................. 92 3.1. Thực nghiệm gia cường chịu uốn dầm BTCT bị ăn mòn ............................. 92 3.1.1. Vật liệu sử dụng ................................................................................... 92 3.1.2. Mẫu dầm gia cường ............................................................................. 95 3.1.3. Quy trình gia cường chịu uốn dầm ăn mòn bằng tấm sợi CFRP ........... 98 3.2. Thực nghiệm ứng xử uốn của dầm ăn mòn gia cường ............................... 102 3.2.1. Mục đích thí nghiệm .......................................................................... 102 3.2.2. Sơ đồ thí nghiệm ................................................................................ 103 3.2.3. Quan hệ giữa tải trọng và độ võng ...................................................... 104 3.3. Phân tích kết quả thực nghiệm .................................................................. 107 3.3.1. Khả năng chịu lực của dầm ăn mòn gia cường ................................... 107 3.3.2. Độ võng của dầm ............................................................................... 108 3.3.3. Dạng phá hoại của dầm ăn mòn gia cường ......................................... 110 3.4. Kết luận Chương 3 .................................................................................... 111 CHƯƠNG 4 – MÔ HÌNH PHI TUYẾN PHÂN TÍCH ỨNG XỬ UỐN CỦA KẾT CẤU DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP BỊ ĂN MÒN GIA CƯỜNG BẰNG TẤM CFRP ............................................................................................................................ 113 4.1. Mở đầu ..................................................................................................... 113 4.2. Tóm tắt chương trình thực nghiệm ............................................................ 115 4.2.1. Vật liệu và dầm thí nghiệm ................................................................ 115
vi 4.2.2. Kết quả thực nghiệm .......................................................................... 116 4.3. Mô hình phần tử hữu hạn phi tuyến........................................................... 118 4.3.1. Định nghĩa phần tử ............................................................................. 118 4.3.2. Mô hình vật liệu ................................................................................. 120 4.3.3. Kiểm chứng mô hình PTHH............................................................... 126 4.4. Nghiên cứu tham số .................................................................................. 134 4.4.1. Cường độ nén bê tông, hàm lượng cốt thép và cường độ bám dính .... 134 4.4.2. Sơ đồ dán gia cường........................................................................... 137 4.5. Kết luận Chương 4 .................................................................................... 140 KẾT LUẬN ......................................................................................................... 142 KẾT LUẬN ..................................................................................................... 142 KIẾN NGHỊ .................................................................................................... 143 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 145 Tài liệu tiếng Việt ............................................................................................ 145 Tài liệu nước ngoài .......................................................................................... 146
vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT AFRP : Aramid Fiber Reinforced Polymer BTCT : Bê tông cốt thép CFRP : Carbon Fiber Reinforced Polymer FRP : Fiber Reinforced Polymer GFRP : Glass Fiber Reinforced Polymer PTHH : Phần tử hữu hạn A : Ampe (đơn vị cường độ dòng điện) cv (%) : Hệ số biến động clt (%) : Mức độ ăn mòn lý thuyết của cốt thép ctt (%) : Mức độ ăn mòn thực tế của cốt thép c (%) : Mức độ ăn mòn trung bình của cốt thép ci (%) : Mức độ ăn mòn của từng thanh thép F : Hằng số Faraday I : Cường độ dòng điện Itb : Cường độ dòng điện trung bình L (mm) : Chiều dài thực tế cốt thép bị ăn mòn/Chiều dài truyền sóng siêu âm M : Nguyên tử khối của sắt ∆m (g) : Khối lượng kim loại bị mất mát do ăn mòn mo (g) : Khối lượng kim loại trước khi ăn mòn m (g) : Khối lượng kim loại còn lại sau khi ăn mòn m : Giá trị trung bình Pb (kN) : Lực kéo tới hạn làm đứt thép Pc (kN) : Lực kéo tại thời điểm thép chảy dẻo PEXP : Tải trọng thu được từ thí nghiệm PFEM : Tải trọng thu được từ mô hình Pn (kN) : Tải trọng gây nứt
viii Pph (kN) : Tải trọng phá hoại Rb (MPa) : Giới hạn bền của thép Rc (MPa) : Giới hạn chảy của thép Rn (MPa) : Cường độ chịu nén của bê tông s : Độ lệch chuẩn T (giờ) : Thời gian ăn mòn điện hóa/Thời gian truyền sóng siêu âm U (vôn) : Hiệu điện thế của dòng điện
ix DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Yêu cầu thiết kế bảo vệ kết cấu chống ăn mòn trong môi trường biển [23] .............................................................................................................................. 27 Bảng 1.2. Một số tính chất cơ lý của vật liệu CFRP ............................................... 34 Bảng 1.3. Một số tính chất cơ lý của vật liệu GFRP ............................................... 35 Bảng 1.4. Một số tính chất cơ lý của vật liệu nền epoxy ........................................ 35 Bảng 2.1. Thành phần cấp phối vật liệu của các loại bê tông sử dụng .................... 56 Bảng 2.2. Cường độ chịu nén của bê tông sử dụng ở 28 ngày tuổi ......................... 57 Bảng 2.3. Mức độ ăn mòn cốt thép trong các mẫu thử của bê tông B30 ................. 61 Bảng 2.4. Mức độ ăn mòn cốt thép trong các mẫu thử của bê tông B40 ................. 62 Bảng 2.5. Mức độ ăn mòn cốt thép trong các mẫu thử của bê tông B50 ................. 64 Bảng 2.6. So sánh mức độ ăn mòn cốt thép thực tế và dự báo ................................ 65 Bảng 2.7. Cường độ chịu nén của bê tông B30 ở 28 ngày tuổi ............................... 66 Bảng 2.8. Các tính chất cơ học của cốt thép dọc .................................................... 67 Bảng 2.9. Mức độ ăn mòn cốt thép của tổ mẫu II ................................................... 71 Bảng 2.10. Mức độ ăn mòn cốt thép của tổ mẫu III ............................................... 71 Bảng 2.11. Mức độ ăn mòn cốt thép của tổ mẫu IV ............................................... 71 Bảng 2.12. Tổng hợp kết quả thí nghiệm uốn bốn điểm ......................................... 78 Bảng 3.1. Các tính chất cơ học của sợi CFRP ........................................................ 94 Bảng 3.2. Khối lượng keo dán sử dụng .................................................................. 94 Bảng 3.3. Mức độ ăn mòn cốt thép của tổ mẫu V................................................... 97 Bảng 3.4. Mức độ ăn mòn cốt thép của tổ mẫu VI ................................................. 97 Bảng 3.5. Mức độ ăn mòn cốt thép của tổ mẫu VII ................................................ 98 Bảng 3.6. So sánh tải trọng uốn phá hoại giữa các dầm thí nghiệm ...................... 107 Bảng 3.7. So sánh độ võng giữa các dầm thí nghiệm ........................................... 109 Bảng 4.1. Tổng hợp kết quả thí nghiệm uốn dầm ................................................. 117 Bảng 4.2. Các tham số vật liệu sử dụng trong mô hình PTHH ............................. 123
x Bảng 4.3. So sánh kết quả thí nghiệm và mô hình ................................................ 128 Bảng 4.4. Ảnh hưởng của cường độ bê tông, hàm lượng cốt thép dọc và suy giảm cường độ bám dính .............................................................................................. 136 Bảng 4.5. Ảnh hưởng của sơ đồ dán gia cường và chiều dài tấm CFRP ............... 140
xi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Hình thành các sản phẩm ăn mòn ............................................................. 7 Hình 1.2. Biểu đồ Pourbaix của hệ Fe-H2O ở nhiệt độ 25°C [123] ........................... 9 Hình 1.3. Sơ đồ phát triển ăn mòn của cốt thép theo thời gian [164] ...................... 10 Hình 1.4. Sự tăng thể tích các sản phẩm của quá trình oxy hóa sắt......................... 11 Hình 1.5. Cơ chế của quá trình cacbonat hóa bê tông [157] ................................... 12 Hình 1.6. Vùng đối lưu trong kết cấu BTCT chịu sự xâm thực của nước và ion clorua .............................................................................................................................. 15 Hình 1.7. Ăn mòn cốt thép trên cầu cảng Hòn Gai, Quảng Ninh [1] ...................... 23 Hình 1.8. Ăn mòn cốt thép trên công trình thực tế trong vùng nước lên xuống [1] . 24 Hình 1.9. Ăn mòn cốt thép trên một số công trình thực tế trong vùng khí quyển ven biển [1] .................................................................................................................. 25 Hình 1.10. Gia cường kết cấu cột BTCT bằng vật liệu FRP [9] ............................. 32 Hình 1.11. Gia cường kết cấu dầm BTCT bằng vật liệu FRP [9] ........................... 32 Hình 1.12. Gia cường kết cấu sàn BTCT bằng vật liệu FRP [9] ............................. 32 Hình 1.13. Các loại sợi sử dụng chế tạo tấm sợi FRP ............................................. 34 Hình 1.14. So sánh quan hệ ứng suất – biến dạng giữa CFRP, GFRP và thép [97] . 37 Hình 1.15. Cường độ kéo của vật liệu FRP theo thời gian [113] ............................ 38 Hình 1.16. Cường độ bám dính của vật liệu FRP theo thời gian [113] ................... 38 Hình 1.17. Cường độ kéo của vật liệu FRP theo thời gian dưới tác động của các điều kiện khí hậu khác nhau [118] ................................................................................. 38 Hình 1.18. Sơ đồ ứng suất – biến dạng của tiết diện gia cường FRP khi uốn [27] .. 42 Hình 1.19. Các dạng phá hoại điển hình của dầm BTCT gia cường chịu uốn bằng tấm sợi FRP.................................................................................................................. 45 Hình 2.1. Sơ đồ thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép trong mẫu thử ........................ 53 Hình 2.2. Sơ đồ thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép trong mẫu dầm ...................... 54 Hình 2.3. Thí nghiệm nén bê tông.......................................................................... 56
xii Hình 2.4. Kích thước hình học và khuôn chế tạo mẫu thử ...................................... 58 Hình 2.5. Quá trình chế tạo các mẫu thử ................................................................ 59 Hình 2.6. Lắp đặt và thực hiện thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép ........................ 59 Hình 2.7. Mẫu thử sau khi bị ăn mòn bằng phương pháp điện hóa ......................... 60 Hình 2.8. Mức độ ăn mòn cốt thép trong các mẫu thử của bê tông B30 ................. 61 Hình 2.9. Mức độ ăn mòn cốt thép trong các mẫu thử của bê tông B40 ................. 63 Hình 2.10. Mức độ ăn mòn cốt thép trong các mẫu thử của bê tông B50................ 64 Hình 2.11. Mối quan hệ giữa hệ số hiệu chỉnh và cường độ chịu nén của bê tông .. 65 Hình 2.12. Kích thước và cấu tạo cốt thép của mẫu dầm thí nghiệm ...................... 67 Hình 2.13. Thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép trên các mẫu dầm BTCT .............. 69 Hình 2.14. Cân xác định khối lượng thanh thép trước và sau khi bị ăn mòn ........... 70 Hình 2.15. Sơ đồ thí nghiệm uốn dầm.................................................................... 72 Hình 2.16. Thí nghiệm uốn bốn điểm trên mẫu dầm ăn mòn .................................. 73 Hình 2.17. Biểu đồ tải trọng – độ võng của hai dầm đối chứng D1-NC và D2-NC. 74 Hình 2.18. Biểu đồ tải trọng – độ võng của hai dầm ăn mòn D3-C và D4-C .......... 74 Hình 2.19. Biểu đồ tải trọng – độ võng của hai dầm ăn mòn D5-C và D6-C .......... 75 Hình 2.20. Biểu đồ tải trọng – độ võng của hai dầm ăn mòn D7-C và D8-C .......... 76 Hình 2.21. Cốt thép dọc trong dầm D8-C bị đứt khi thí nghiệm ............................. 76 Hình 2.22. So sánh biểu đồ tải trọng – độ võng giữa dầm đối chứng và dầm ăn mòn .............................................................................................................................. 77 Hình 2.23. So sánh tải trọng phá hoại trung bình giữa các tổ mẫu dầm .................. 78 Hình 2.24. So sánh độ võng trung bình khi phá hoại giữa các tổ mẫu dầm ............. 79 Hình 2.25. Các mẫu dầm sau khi bị ăn mòn cốt thép và được vệ sinh bề mặt ......... 80 Hình 2.26. Sơ đồ vết nứt bê tông do ăn mòn trên dầm D3-C .................................. 81 Hình 2.27. Sơ đồ vết nứt bê tông do ăn mòn trên dầm D4-C .................................. 81 Hình 2.28. Sơ đồ vết nứt bê tông do ăn mòn trên dầm D5-C .................................. 81 Hình 2.29. Sơ đồ vết nứt bê tông do ăn mòn trên dầm D6-C .................................. 81
xiii Hình 2.30. Sơ đồ vết nứt bê tông do ăn mòn trên dầm D7-C .................................. 82 Hình 2.31. Sơ đồ vết nứt bê tông do ăn mòn trên dầm D8-C .................................. 82 Hình 2.32. Phân bố xác suất của bề rộng vết nứt trên dầm ăn mòn D4-C ............... 83 Hình 2.33. Phân bố xác suất của bề rộng vết nứt trên dầm ăn mòn D6-C ............... 83 Hình 2.34. Phân bố xác suất của bề rộng vết nứt trên dầm ăn mòn D8-C ............... 84 Hình 2.35. Quan hệ giữa bề rộng vết nứt và mức độ ăn mòn.................................. 84 Hình 2.36. Sơ đồ vết nứt do tải trọng và dạng phá hoại của các dầm thí nghiệm .... 85 Hình 2.37. Sơ đồ vết nứt bê tông do tải trọng trên dầm đối chứng D1-NC ............. 86 Hình 2.38. Sơ đồ vết nứt bê tông do tải trọng trên dầm đối chứng D2-NC ............. 86 Hình 2.39. Sơ đồ vết nứt bê tông do tải trọng trên dầm ăn mòn D3-C .................... 87 Hình 2.40. Sơ đồ vết nứt bê tông do tải trọng trên dầm ăn mòn D4-C .................... 87 Hình 2.41. Sơ đồ vết nứt bê tông do tải trọng trên dầm ăn mòn D5-C .................... 87 Hình 2.42. Sơ đồ vết nứt bê tông do tải trọng trên dầm ăn mòn D6-C .................... 88 Hình 2.43. Sơ đồ vết nứt bê tông do tải trọng trên dầm ăn mòn D7-C .................... 88 Hình 2.44. Sơ đồ vết nứt bê tông do tải trọng trên dầm ăn mòn D8-C .................... 88 Hình 2.45. Tải trọng tương ứng với bề rộng vết nứt cho phép ................................ 89 Hình 3.1. Chất kết dính và keo bơm sử dụng sửa chữa vết nứt ............................... 93 Hình 3.2. Tấm sợi CFRP sử dụng gia cường dầm .................................................. 94 Hình 3.3. Keo dán sử dụng gia cường dầm ăn mòn ................................................ 94 Hình 3.4. Thí nghiệm ăn mòn các mẫu dầm gia cường .......................................... 95 Hình 3.5. Các mẫu dầm sau khi bị ăn mòn bằng thí nghiệm điện hóa .................... 95 Hình 3.6. Sơ đồ dán gia cường chịu uốn bằng tấm sợi CFRP ................................. 96 Hình 3.7. Các dầm thí nghiệm ăn mòn trước và sau khi vệ sinh bề mặt ................. 98 Hình 3.8. Đo đạc bề rộng vết nứt do ăn mòn .......................................................... 99 Hình 3.9. Quá trình chuẩn bị bề mặt trước khi áp dụng chất kết dính ..................... 99 Hình 3.10. Quá trình làm sạch lỗ khoan và lắp đặt xy lanh kim loại ..................... 100
xiv Hình 3.11. Thi công trét chất kết dính để bịt kín vết nứt bề mặt ........................... 100 Hình 3.12. Xy lanh và máy bơm keo ................................................................... 101 Hình 3.13. Dán tấm CFRP gia cường các mẫu dầm ăn mòn ................................. 102 Hình 3.14. Sơ đồ thí nghiệm uốn dầm ăn mòn gia cường..................................... 103 Hình 3.15. Thí nghiệm uốn bốn điểm trên dầm ăn mòn gia cường ....................... 104 Hình 3.16. Biểu đồ tải trọng – độ võng của dầm D9-CFRP và D10-CFRP........... 104 Hình 3.17. Biểu đồ tải trọng – độ võng của dầm D11-CFRP và D12-CFRP ......... 105 Hình 3.18. Biểu đồ tải trọng – độ võng của dầm D13-CFRP và D14-CFRP ......... 106 Hình 3.19. So sánh biểu đồ tải trọng – độ võng giữa các mẫu dầm ăn mòn gia cường ............................................................................................................................ 108 Hình 3.20. So sánh độ võng khi phá hoại và độ võng cực hạn giữa các dầm ăn mòn gia cường............................................................................................................. 109 Hình 3.21. So sánh dạng phá hoại của dầm ăn mòn và dầm ăn mòn gia cường .... 110 Hình 4.1. Kích thước và cấu tạo của dầm gia cường điển hình............................. 116 Hình 4.2. Biểu đồ tải trọng – chuyển vị thu được từ thí nghiệm uốn .................... 117 Hình 4.3. Mô hình chia lưới dầm ăn mòn gia cường bằng CFRP ......................... 118 Hình 4.4. Phần tử sử dụng cho bê tông và cốt thép .............................................. 119 Hình 4.5. Phần tử sử dụng cho CFRP và liên kết CFRP/bê tông .......................... 120 Hình 4.6. Mô hình vật liệu của bê tông ................................................................ 120 Hình 4.7. Mô hình liên kết bám dính giữa bê tông và cốt thép ............................. 122 Hình 4.8. Mô hình vật liệu của tấm CFRP ........................................................... 124 Hình 4.9. Mô hình vật liệu của cốt thép ............................................................... 126 Hình 4.10. So sánh giữa các mô hình với kích thước lưới khác nhau ................... 127 Hình 4.11. Biểu đồ tải trọng – chuyển vị của các dầm với kích thước lưới khác nhau ............................................................................................................................ 127 Hình 4.12. So sánh biểu đồ tải trọng – chuyển vị thu được từ thí nghiệm và mô hình: (a) Dầm đối chứng; (b) Dầm ăn mòn ................................................................... 128
xv Hình 4.13. Ứng suất trong cốt thép tại thời điểm dầm bị phá hoại: (a) FEM-D1-NC và (b) FEM-D5-C ................................................................................................ 129 Hình 4.14. So sánh sơ đồ vết nứt do tải trọng thu được từ thí nghiệm và mô hình: (a) Dầm D1-NC; (b) Dầm D5-C ............................................................................... 130 Hình 4.15. So sánh biểu đồ tải trọng – chuyển vị của các dầm ăn mòn gia cường thu được từ thí nghiệm và mô hình ............................................................................ 131 Hình 4.16. Sơ đồ vết nứt của dầm ăn mòn gia cường CFRP thu được từ mô hình tại các giai đoạn phá hoại ......................................................................................... 131 Hình 4.17. Sự phát triển ứng suất cắt tại bề mặt tấm CFRP.................................. 132 Hình 4.18. Phân bố ứng suất trong (a) cốt thép dọc và cốt đai; (b) bê tông........... 133 Hình 4.19. Biểu đồ tải trọng – chuyển vị của dầm khi thay đổi (a) Cấp độ bền nén của bê tông; (b) Hàm lượng cốt thép dọc ................................................................... 135 Hình 4.20. Biểu đồ tải trọng – chuyển vị của dầm ăn mòn gia cường khi thay đổi lực bám dính ............................................................................................................. 135 Hình 4.21. Sơ đồ vết nứt trên dầm khi suy giảm 90% lực bám dính ..................... 136 Hình 4.22. Biểu đồ tải trọng – chuyển vị của dầm khi thay đổi (a) Sơ đồ dán tấm CFRP; (b) Chiều dài tấm CFRP ........................................................................... 137 Hình 4.23. Sơ đồ dán tấm CFRP và vết nứt tại thời điểm dầm bị phá hoại: (a) Gia cường mặt bên; (b) Gia cường với hệ neo hình chữ U.......................................... 138 Hình 4.24. Sơ đồ vết nứt và phân bố ứng suất cắt trong tấm CFRP tại thời điểm phá hoại: (a) L = 1400 mm; (b) L = 1000 mm ............................................................ 139
1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Bê tông cốt thép (BTCT) đã được sử dụng rộng rãi từ cách đây hơn một thế kỷ, bởi vì đây là một vật liệu xây dựng linh hoạt, kinh tế và bền vững. Cốt thép thường được bố trí trong vùng chịu kéo của kết cấu, do bê tông có cường độ chịu kéo thấp hơn nhiều so với cường độ chịu nén, cho phép thiết kế các cấu kiện có tính sử dụng khác nhau, còn bê tông đóng vai trò như một môi trường bảo vệ cho cốt thép. Tuy nhiên, kết cấu BTCT có thể bị xuống cấp nhanh hơn hoặc nghiêm trọng hơn so với dự kiến. Nguyên nhân của các hư hỏng có thể do lỗi thiết kế, sự cố trong quá trình thi công hoặc các vật liệu bị xuống cấp dưới tác động của các điều kiện môi trường khắc nghiệt. Nói chung, những hư hỏng quan sát được trên công trình là kết quả của sự kết hợp các yếu tố khác nhau này. Hiện tượng ăn mòn cốt thép là một trong những nguyên nhân chính gây ra nhiều hư hỏng làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu, những bất lợi trong việc khai thác sử dụng công trình và làm giảm tuổi thọ công trình. Hiện tượng này diễn ra trên rất nhiều loại công trình như các kết cấu tồn tại trong môi trường chứa hàm lượng lớn khí CO2, chẳng hạn như tại khu vực đô thị hoặc khu công nghiệp, hoặc các kết cấu chịu sự xâm nhập của ion clorua (công trình biển đảo, công trình ven biển). Trên thế giới, những nghiên cứu về kết cấu BTCT bị ăn mòn ngày càng được quan tâm thực hiện trong suốt hơn ba mươi năm trở lại đây. Ở Nhật Bản, một nghiên cứu chỉ ra rằng 90% các công trình tiếp xúc với môi trường biển có lớp bê tông bảo vệ không đủ lớn và các công trình chỉ mới 10 năm tuổi đã bị hư hỏng chiếm một tỷ lệ lớn [108]. Tại Hoa Kỳ, có khoảng 15% công trình cầu đường bộ bị giảm khả năng làm việc do quá trình ăn mòn cốt thép phát triển mạnh [96]. Tại Canada, khoảng 40% công trình cầu trong hệ thống đường cao tốc đã đưa vào sử dụng hơn 40 năm và một lượng lớn các công trình này đòi hỏi phải xây dựng mới hoặc thay thế vì những hư hỏng do ăn mòn cốt thép gây ra [53, 96]. Tại Anh, Bộ Giao thông Vận tải ước tính khoảng 10% trong số các công trình cầu đã kiểm định bị hư hỏng do ăn mòn [46, 96]. Tại Pháp, cơ quan quản lý đường bộ đã tiến hành khảo sát và xác định rằng 28% công trình cầu bằng BTCT bị xuống cấp do ăn mòn cốt thép [54]. Chi phí thực hiện việc bảo trì công trình, sửa chữa và gia cường các kết cấu bị hư hỏng do ăn mòn cốt thép đang tăng lên trong những năm gần đây. Hơn nữa, những thiệt hại gián tiếp về kinh
2 tế cho người sử dụng do sự chậm trễ và giảm hiệu năng khai thác công trình có thể lớn hơn so với các chi phí trực tiếp của việc bảo trì và sửa chữa công trình. Việt Nam là quốc gia trong vùng khí hậu nhiệt đới, nóng ẩm gió mùa. Nước ta có đường bờ biển dài 3260 km với nhiều đảo, quần đảo chạy dọc từ Bắc vào Nam, với 29/63 tỉnh, thành phố tiếp giáp biển trong đó có nhiều đô thị lớn và quan trọng. Một số đặc điểm của khí hậu biển đó là: (i) Nồng độ ion clorua trong không khí khá cao, tại mép nước dao động từ 0,4 - 1,3 mgCl-/m3 ở các tỉnh miền Bắc và khoảng 1,3 - 2,0 mgCl-/m3 ở các tỉnh miền Nam; (ii) Nhiệt độ tương đối cao, tăng dần từ Bắc vào Nam. Miền Bắc có 2 – 3 tháng mùa đông với nhiệt độ dưới 20oC, mùa hè nhiệt độ cao trên 30oC và có thể đến 40oC. Trong khi, miền Nam có nhiệt độ cao đều quanh năm; (iii) Độ ẩm không khí cao, dao động trung bình trong khoảng 75-80%; (iv) Thời gian ẩm ướt bề mặt kéo dài, dao động từ 1300 - 1850 giờ/năm ở vùng ven biển các tỉnh miền Bắc, từ 450 - 950 giờ/năm các tỉnh miền Nam. Những điều kiện khí hậu môi trường của nước ta có thể làm cho quá trình ăn mòn cốt thép trên kết cấu công trình BTCT diễn ra nhanh hơn so với dự đoán. Hiện nay, bên cạnh các công trình có tuổi thọ trên 30 - 40 năm có nhiều công trình đã bị ăn mòn và hư hỏng nặng sau 20 - 25 năm sử dụng, thậm chí nhiều kết cấu bị phá huỷ nặng nề chỉ sau 10 - 15 năm sử dụng. Những thiệt hại do ăn mòn gây ra là đáng kể và nghiêm trọng, ước tính khoảng trên 100 tỷ đồng/năm. Chi phí cho sửa chữa khắc phục hậu quả ăn mòn có thể chiếm tới 30 - 70% mức đầu tư xây dựng công trình [2]. Quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước đòi hỏi phải phát triển hệ thống cơ sở hạ tầng, cũng như đầu tư xây dựng các công trình biển và ven biển, đặc biệt là các công trình ở khu vực hải đảo. Trong thực tế, nhiều công trình được xây dựng trong môi trường khí hậu biển đều áp dụng theo quy phạm xây dựng thông thường, mà ít chú ý đến vấn đề chống ăn mòn nhằm đảm bảo độ bền vững cho công trình, dẫn đến làm giảm tuổi thọ công trình. Thực tế này đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc nghiên cứu ứng xử của các kết cấu công trình bị ăn mòn cốt thép do tác nhân xâm thực ion clorua và đề xuất phương pháp sửa chữa nhằm gia cường khả năng chịu lực của kết cấu, cũng như đảm bảo độ bền vững và gia tăng tuổi thọ công trình. Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử dầm bê tông cốt thép chịu uốn bị hư hỏng do ăn mòn được gia cường bằng tấm CFRP” đã được đề xuất thực hiện trong luận án này.
3 2. Mục đích nghiên cứu Những nội dung nghiên cứu của luận án được thực hiện nhằm hướng đến các mục đích cụ thể như sau: - Nghiên cứu ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép dọc đến ứng xử uốn của kết cấu dầm BTCT bị ăn mòn trong môi trường ion clorua; - Nghiên cứu thực nghiệm hiệu quả gia cường chịu uốn bằng tấm sợi CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) đối với kết cấu dầm BTCT bị ăn mòn. - Mô hình hóa ứng xử của kết cấu dầm ăn mòn và dầm ăn mòn gia cường bằng tấm sợi CFRP. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu được thực hiện trong phòng thí nghiệm trên các mẫu thử có các kích thước 150x150x150 mm và trên các mẫu dầm thí nghiệm có các kích thước 150x200x2200 mm, được chế tạo bằng bê tông thông thường có cấp độ bền nén từ B30 đến B50 và các thanh cốt thép dọc có đường kính danh nghĩa d12 mm thuộc nhóm thép CB300V. Các mẫu thí nghiệm bị ăn mòn cốt thép trong môi trường xâm thực ion clorua bằng mô hình thí nghiệm gia tốc ăn mòn điện hóa. Luận án tập trung phân tích ảnh hưởng của cốt thép dọc bị ăn mòn trong khoảng 5 - 15% dựa theo khối lượng kim loại bị mất mát đến ứng xử uốn của các dầm BTCT, đặc trưng bởi quan hệ tải trọng – chuyển vị, sơ đồ vết nứt và dạng phá hoại. Các mẫu dầm ăn mòn gia cường chịu uốn bằng phương pháp dán tấm sợi CFRP. Quy trình thi công gia cường được thực hiện trong phòng thí nghiệm. Hiệu quả gia cường chịu uốn đã được phân tích bằng cách so sánh các kết quả thu được giữa dầm gia cường, dầm ăn mòn và dầm đối chứng. 4. Cơ sở khoa học Trên cơ sở phân tích nghiên cứu tổng quan về sự ăn mòn cốt thép trên kết cấu công trình, luận án đã tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm về ăn mòn của dầm BTCT cũng như biện pháp gia cường chịu uốn của dầm BTCT bằng tấm sợi CFRP. Hơn nữa, các phân tích số phi tuyến cũng được đề xuất để mô phỏng ứng xử uốn của dầm BTCT bị ăn mòn được gia cường bằng tấm sợi CFRP.