Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: 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:27

Thêm vào BST

Báo xấu

13
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ "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" có mục đích nghiên cứu ảnh hưởng của mức độ ăn mòn cốt thép dọc đến ứng xử uốn của kết cấu dầm bê tông cốt thép bị ăn mòn trong môi trường ion clorua; Nghiên cứu thực nghiệm hiệu quả gia cường chịu uốn bằng tấm sợi CFRP 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.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: 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 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội – Năm 2022
Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Xây dựng Hà Nội. Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Nguyễn Hoàng Giang Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS. Lê Trung Thành Phản biện 1: PGS.TS. Trần Chủng Phản biện 2: TS. Nguyễn Đại Minh Phản biện 3: PGS.TS. Nguyễn Ngọc Phương Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp trường họp tại Trường Đại học Xây Dựng Hà Nội. vào hồi giờ ngày tháng năm 2022 Có thể tìm hiểu luận án tại Thư viện Quốc Gia và Thư viện Trường Đại học Xây dựng Hà Nội.
1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài 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. 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. 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. 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. 2. Mục đích nghiên cứu - 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 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. Luận án tập trung phân tích ảnh hưởng của cốt thép dọc bị ăn mòn trong khoảng 5 - 15%. Các mẫu dầm ăn mòn gia cường chịu uốn bằng phương pháp dán tấm sợi CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer). 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. 5. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu tổng quan
2 - Phương pháp thực nghiệm - Phương pháp mô phỏng 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Luận án đóng góp vào sự hiểu biết về ứng xử uốn của dầm BTCT bị ăn mòn trong môi trường clorua ở Việt Nam. Những kết quả của luận án góp phần vào việc dự báo khả năng chịu lực còn lại của các kết cấu dầm BTCT bị ăn mòn và đề xuất phương pháp gia cường kết cấu bằng vật liệu tấm sợi CFRP. 7. Những đóng góp mới của luận án - Luận án đã cung cấp một bộ dữ liệu thực nghiệm thu được trên tổng cộng 27 mẫu thử và 14 mẫu dầm BTCT, với các mức độ ăn mòn cốt thép khác nhau, bằng cách áp dụng mô hình thí nghiệm gia tốc ăn mòn trong điều kiện môi trường thực tế ở Việt Nam. - Kết quả nghiên cứu xác định được hiệu quả gia cường chịu uốn bằng tấm sợi CFRP đối với dầm BTCT bị ăn mòn. Từ đó, luận án chứng minh rằng giải pháp gia cường dầm ăn mòn bằng tấm sợi CFRP là hiệu quả. - Luận án xây dựng được các mô hình PTHH phi tuyến cho phép mô tả chính xác ứng xử uốn của dầm đối chứng, dầm ăn mòn và dầm gia cường, đặc biệt là cơ chế phá hoại do bong tách tấm CFRP. Từ đó, mô hình PTHH đã được phát triển để khảo sát ảnh hưởng của các thông số thiết kế đến ứng xử của dầm ăn mòn gia cường, như cường độ chịu nén của bê tông, hàm lượng cốt thép dọc, sự suy giảm bám dính giữa bê tông và cốt thép, sơ đồ dán gia cường tấm sợi CFRP. 8. Nội dung và cấu trúc của luận án Phần mở đầu. Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về kết cấu dầm bê tông cốt thép bị ăn mòn trong môi trường biển. Chương 2: Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử uốn của kết cấu dầm bê tông cốt thép bị ăn mòn. Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm gia cường chịu uốn kết cấu dầm bê tông cốt thép bị ăn mòn bằng tấm CFRP. 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. Phần kết luận: những kết luận chung được rút ra từ các kết quả nghiên cứu của luận án.
3 CHƯƠNG 1 – NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP BỊ ĂN MÒN TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN 1.1. Tổng quan về ăn mòn cốt thép trong kết cấu công trình 1.1.1. Cơ chế của ăn mòn cốt thép Quá trình ăn mòn cốt thép được thể hiện thông qua sự phá hủy kim loại do các phản ứng điện hóa, làm trao đổi ion và electron ở bề mặt của kim loại và dung dịch hòa tan. Sự hình thành một pin điện hóa cục bộ trên thanh thép giữa cực cathode và cực anode với sự có mặt của nước và oxy, tạo ra phản ứng hòa tan vật liệu kim loại trên bề mặt, cũng như sự kết tủa các oxit sắt. 1.1.2. Các giai đoạn của quá trình ăn mòn cốt thép Trong giai đoạn mồi, tính ổn định của hệ kết cấu cốt thép được bảo vệ bởi bê tông giảm dần, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của quá trình ăn mòn cốt thép. Trong giai đoạn phát tán, hình thành các sản phẩm của quá trình ăn mòn cốt thép xảy ra dưới dạng các phản ứng điện hóa. 1.1.3. Những nguyên nhân chính gây ra ăn mòn cốt thép (a) Sự cacbonat hóa bê tông do sự xâm nhập của khí CO2 trong không khí vào trong môi trường vật liệu bê tông. (b) Sự xâm nhập của ion clorua đối với các công trình trong môi trường biển, hoặc những kết cấu tiếp xúc trực tiếp với các muối vô cơ. 1.2. Tổng quan về ứng xử uốn của kết cấu dầm BTCT bị ăn mòn 1.2.1. Trên thế giới Khi cốt thép bị ăn mòn, nó có ảnh hưởng kép đến ứng xử cơ học của kết cấu: (i) làm giảm khả năng chịu lực do diện tích cốt thép bị giảm so với thiết kế ban đầu; (ii) làm giảm độ cứng của cấu kiện do giảm diện tích cốt thép và giảm lực dính giữa bê tông và cốt thép; (iii) kết cấu bị phá hoại khi lực tác dụng và độ võng còn nhỏ. Như một hệ quả, sự an toàn và công năng sử dụng của kết cấu công trình bị ảnh hưởng. Phân tích ứng xử của kết cấu bị ăn mòn cốt thép phụ thuộc vào nhiều tham số, do đó sử dụng phương pháp phân tích truyền thống như khi cốt thép không bị ăn mòn gặp nhiều hạn chế. Ảnh hưởng của các tham số đó vẫn chưa được đánh giá đầy đủ và cần nhiều nghiên cứu thực nghiệm hơn nữa. Do đó, mô phỏng số là một công cụ rất hữu ích để đánh giá, dự báo sự làm việc của các kết cấu thực tế bị ăn mòn. 1.2.2. Ở Việt Nam Về vị trí địa lý, Việt Nam nằm trong vùng nhiệt đới, khí hậu nóng ẩm gió mùa. Những điều kiện khí hậu môi trường có thể làm cho quá trình ăn mòn cốt thép trên kết cấu công trình thực tế diễn ra nhanh hơn so
4 với dự đoán. Nước ta đã xây dựng một số tiêu chuẩn liên quan cho kết cấu bê tông và bê tông cốt thép bị ăn mòn, như TCVN 3994:1985, TCVN 9139:2012, TCVN 9343:2012, TCVN 9346:2012 và TCVN 9348:2012. Cho đến nay, các nghiên cứu thực nghiệm về ứng xử cơ học của kết cấu dầm BTCT bị ăn mòn trong môi trường xâm thực ion clorua còn rất hạn chế. Các nghiên cứu chỉ được thực hiện trên các mẫu dầm có kích thước tương đối nhỏ và cốt thép chỉ bị ăn mòn thấp. Hơn nữa, các nghiên cứu thực nghiệm về sửa chữa và gia cường các kết cấu BTCT bị ăn mòn gần như chưa được thực hiện. 1.3. Tổng quan về sửa chữa và gia cường kết cấu BTCT bị ăn mòn 1.3.1. Các phương pháp sửa chữa và gia cường kết cấu BTCT bị ăn mòn (a) Các phương pháp sửa chữa kết cấu - Sửa chữa lớp bảo vệ. - Hóa chất chống thấm. - Chất ức chế ăn mòn. - Sơn phủ bề mặt. - Bê tông phun. - Xử lý điện hóa. (b) Các phương pháp gia cường kết cấu - Phương pháp bọc ngoài bằng bê tông/BTCT. - Phương pháp bọc ngoài bằng bản thép. - Phương pháp dán tấm sợi FRP (Fiber Reinforced Polymer). - Phương pháp ứng lực trước căng ngoài. 1.3.2. Cấu tạo của vật liệu FRP Các loại sợi được sử dụng phổ biến là sợi các bon, sợi thủy tinh và sợi aramid. Vật liệu FRP được liên kết với nhau nhờ vật liệu nền gốc polymer như keo epoxy, nhựa vinylester hoặc polyester. (a) Trọng lượng riêng Các loại sợi FRP có trọng lượng riêng dao động trong khoảng 1,7 – 2,6 g/cm3, nhỏ hơn từ 3 đến 4,5 lần so với vật liệu thép có trọng lượng riêng 7,85 g/cm3. (b) Tính chất cơ học (cường độ chịu kéo, mô đun đàn hồi) Quan hệ ứng suất – biến dạng của vật liệu FRP có dạng tuyến tính từ khi bắt đầu chịu kéo cho đến khi phá hoại. Sự phá hoại diễn ra đột ngột và giòn. Vật liệu CFRP có cường độ chịu kéo cao, trong khoảng 2400 – 4800 MPa, trong khi biến dạng dài khá nhỏ khoảng 1,5%. (c) Khả năng chịu tác động của điều kiện môi trường
5 Các nghiên cứu đã được thực hiện cho thấy các tính chất cơ lý của vật liệu FRP không bị ảnh hưởng đáng kể bởi các điều kiện môi trường. (d) Khả năng chống cháy FRP là vật liệu tổng hợp nên dễ cháy, tạo ra các sản phẩm cháy độc hại đối với con người và môi trường. Do đó, cần có biện pháp chống cháy như sơn phủ bề mặt bằng sơn chống cháy nhằm đảm bảo an toàn khi sử dụng. 1.3.4. Tình hình nghiên cứu gia cường kết cấu BTCT bằng tấm sợi FRP 1.3.4.1. Tiêu chuẩn thiết kế gia cường - ACI 440.2R-17 - fib 14 (2001) - ISIS (2008) - TR55 (2000) - JSCE CES41 (2001) 1.3.4.2. Quy trình tính toán gia cường kết cấu chịu uốn Thông thường, quy trình tính toán gia cường kết cấu BTCT bằng tấm FRP gồm 11 bước. 1.3.4.3. Dạng phá hoại của dầm BTCT gia cường bằng tấm sợi FRP Vị trí đứt tấm FRP Vùng tập trung ứng suất Hướng phát triển vết nứt (a) Dạng 1 – Đứt tấm FRP (d) Dạng 4 – Bong tách lớp bê tông bảo vệ Vùng bê tông nén vỡ (b) Dạng 2 – Phá hoại uốn (e) Dạng 5 – Bong tách đầu tấm Vết nứt nghiêng (c) Dạng 3 – Phá hoại cắt (f) Dạng 6 – Bong tách giữa tấm Hình 1.19. Các dạng phá hoại điển hình của dầm BTCT gia cường chịu uốn bằng tấm sợi FRP 1.3.4.4. Mô hình dự báo cường độ bong tách tấm gia cường - Các mô hình ứng suất tiếp. - Các mô hình răng bê tông. - Các mô hình sử dụng khả năng chịu cắt. 1.3.4.5. Tình hình nghiên cứu trong nước Một thực tế là Việt Nam chưa có tiêu chuẩn thiết kế, cũng như các tiêu chuẩn thi công và nghiệm thu công tác gia cường kết cấu công trình bằng vật liệu FRP. Các nghiên cứu trong nước mới chỉ thực hiện trên
6 các mẫu thí nghiệm không bị ăn mòn cốt thép. Cho đến nay, các nghiên cứu thực nghiệm về gia cường kết cấu BTCT bị ăn mòn trong môi trường xâm thực ion clorua còn rất hạn chế. 1.4. Kết luận Chương 1 Chương 1 của luận án tập trung trình bày ba nội dung chính bao gồm: (i) Nghiên cứu tổng quan về ăn mòn cốt thép trong kết cấu công trình; (ii) Nghiên cứu tổng quan về ứng xử uốn của kết cấu dầm BTCT bị ăn mòn; (iii) Nghiên cứu tổng quan về sửa chữa và gia cường kết cấu BTCT bị ăn mòn. Ở Việt Nam, những nghiên cứu thực nghiệm nhằm định lượng ảnh hưởng của ăn mòn cốt thép đến sự làm việc của kết cấu công trình BTCT còn rất hạn chế, cũng như thiếu cơ sở khoa học để tính toán gia cường nhằm khôi phục khả năng chịu lực kết cấu. Từ thực tế đó, “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” là một đề tài có ý nghĩa khoa học, thực tiễn và cấp thiết đối với các nhà khoa học và các cơ quan quản lý công trình ở trong nước. CHƯƠNG 2 – NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ UỐN CỦA KẾT CẤU DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP BỊ ĂN MÒN 2.1. Thiết lập mô hình thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép 2.1.1. Mục đích thí nghiệm Thí nghiệm ăn mòn cốt thép bằng phương pháp điện hóa được thực hiện trên các kết cấu thử nhằm mục đích tạo ra trạng thái ăn mòn mong muốn trong khoảng thời gian ngắn hơn nhiều so với thực tế, tính bằng đơn vị giờ/ngày. 2.1.2. Nguyên lý thí nghiệm Ăn mòn điện hóa là sự ăn mòn của kim loại do tác dụng của dung dịch chất điện ly và tạo nên dòng điện. (a) Dung dịch chất điện ly Dung dịch chất điện ly sử dụng trong thí nghiệm ăn mòn điện hóa phải mô tả được đặc điểm về độ mặn của nước biển. Do đó, dung dịch này được tạo ra bằng cách pha loãng với tỷ lệ 35 g NaCl vào 1 lít nước. (b) Yêu cầu về dòng điện tác dụng Hiệu điện thế và cường độ dòng điện tác dụng càng nhỏ thì trạng thái ăn mòn cốt thép tạo ra càng sát với thực tế, tuy nhiên thời gian thí nghiệm sẽ bị kéo dài. 2.1.3. Mô hình thí nghiệm Sơ đồ thí nghiệm như minh họa trên Hình 2.2 có thể được áp dụng cho hai trường hợp: (i) Cấu kiện dầm thí nghiệm được ngâm gần như ngập hoàn toàn trong nước muối; (ii) Cấu kiện dầm chỉ được ngâm ngập
7 một phần trong nước muối. Trong khuôn khổ của luận án này, các mẫu thử và các mẫu dầm BTCT đều được ngâm ngập trong dung dịch chất điện ly để tất cả mẫu thử đều có cùng trạng thái bão hòa. Trường hợp dầm thí nghiệm ngập nước Trường hợp dầm thí nghiệm ở trạng thái khô ướt Dầm thí nghiệm Dung dịch NaCl 3.5% Thanh đồng Hình 2.2. Sơ đồ thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép trong mẫu dầm 2.1.4. Quy trình thí nghiệm Thời gian thí nghiệm được dự báo dựa trên khối lượng kim loại bị mất mát do ăn mòn theo định luật Faraday trong công thức (2.1), với I (A) là cường độ dòng điện trong kim loại, t (giây) là thời gian điện phân, M = 56 là nguyên tử khối của sắt, n = 2 là số lượng electron trao đổi, F = 96500 là hằng số Faraday. I t  M m  (2.1) n F Dựa vào khối lượng kim loại mất mát do ăn mòn ∆m (g), mức độ ăn mòn của cốt thép được xác định bằng hệ số c (%) theo công thức (2.2), trong đó mo (g) là khối lượng trước khi ăn mòn, m (g) là khối lượng sau khi ăn mòn. mo - m m c  (%) (2.2) mo mo 2.2. Thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép trên các mẫu thử 2.2.1. Vật liệu sử dụng (a) Bê tông Trong phòng thí nghiệm, các mẫu thử đã được chế tạo bằng các loại bê tông có cấp độ bền nén khác nhau, lần lượt là B30, B40 và B50. Bảng 2.1. Thành phần cấp phối vật liệu của các loại bê tông sử dụng Bê Xi Cát Đá Nước Tro Siêu N/X tông măng vàng dăm (lít) bay dẻo (kg) (kg) (kg) (kg) (lít) B30 477 596 1250 185 - - 0,39 B40 480 740 1080 160 60 5 0,33 B50 480 760 965 147 85 5 0,31 (b) Cốt thép Cốt thép sử dụng là thép thanh vằn có đường kính danh nghĩa là d12 mm thuộc nhóm thép CB300-V theo TCVN 1651-2:2008.
8 2.2.2. Mẫu thử Các mẫu thử có kích thước 150x150x150 mm được chế tạo bằng các loại vật liệu trong mục 2.2.1. Chiều dài bám dính giữa cốt thép và bê tông là 60 mm và chiều dày lớp bê tông bảo vệ là 69 mm. 2.2.3. Thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép Đối với các mẫu thử của bê tông B30, tổng thời gian thí nghiệm gia tốc ăn mòn là 312 giờ. Đối các mẫu thử của bê tông B40, thời gian thí nghiệm cho ba tổ mẫu lần lượt là 195, 290 và 366 giờ. Đối với các mẫu thử của bê tông B50, thời gian thí nghiệm cho ba tổ mẫu lần lượt là 239, 334 và 413 giờ. 2.2.4. Kết quả thực nghiệm trên các mẫu thử 80 Bê tông B30 8 Bê tông 40 3 Bê tông B50 70 7 2 60 6 Mức độ ăn mòn, c(%) Mức độ ăn mòn, c(%) Mức độ ăn mòn, c(%) 50 5 2 40 4 30 3 1 20 2 1 10 1 0 0 0 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 Mẫu thí nghiệm Mẫu thí nghiệm Mẫu thí nghiệm (a) (b) (c) Hình 2.8. Mức độ ăn mòn cốt thép trong các mẫu thử: (a) bê tông B30; (b) Bê tông B40; (c) Bê tông B50 2.2.5. Xác định hệ số hiệu chỉnh định luật Faraday đối với mẫu thử BTCT Mối quan hệ giữa hệ số hiệu chỉnh K và cường độ chịu nén của bê tông được biểu diễn bằng một hàm tuyến tính như trên Hình 2.11. 0.6 0.5 Hệ số hiệu chỉnh K 0.4 0.3 y = -0.0178x + 1.2033 0.2 R² = 0.9792 0.1 0 30 35 40 45 50 55 60 65 Cường độ chịu nén (MPa) Hình 2.11. Mối quan hệ giữa hệ số hiệu chỉnh và cường độ chịu nén bê tông 2.3. Thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép trên các mẫu dầm BTCT 2.3.1. Vật liệu sử dụng (a) Bê tông Các mẫu dầm thí nghiệm được chế tạo bằng bê tông có cấp độ bền nén B30, với thành phần cấp phối như trong Bảng 2.1. Kết quả thí nghiệm nén bê tông được trình bày trong Bảng 2.7.
9 Bảng 2.7. Cường độ chịu nén của bê tông B30 ở 28 ngày tuổi Mẫu thử P (kN) Rn (MPa) m (MPa) s (MPa) cv (%) M1 925,3 41,1 M2 865,7 38,5 40,9 2,4 1,6 M3 971,9 43,2 (b) Cốt thép Các kết quả thí nghiệm kéo thép được trình bày trong Bảng 2.8. Bảng 2.8. Các tính chất cơ học của cốt thép dọc Mẫu thử Pc (daN) Rc (MPa) Pb (daN) Rb (MPa) M1 4150 366,9 6050 534,9 M2 4300 380,2 6250 552,6 M3 4250 375,8 6130 542,0 2.3.2. Mẫu dầm thí nghiệm Các mẫu dầm thí nghiệm được chế tạo bằng BTCT với các kích thước 150x200x2200 mm. Trong chương này, 8 mẫu dầm thí nghiệm đã được chế tạo và bảo dưỡng trong cùng điều kiện môi trường. 2Ø12 Ø6a150 2Ø12 1 1 2 40 120 40 Ø6a150 200 2 2Ø12 2Ø12 1 1 40 70 40 2200 150 Hình 2.12. Kích thước và cấu tạo cốt thép của mẫu dầm thí nghiệm 2.3.3. Áp dụng mô hình thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép  Tổ mẫu I: hai mẫu dầm đối chứng D1-NC và D2-NC;  Tổ mẫu II: hai mẫu dầm ăn mòn D3-C và D4-C có mức độ ăn mòn cốt thép dọc trong khoảng 5 – 6%;  Tổ mẫu III: hai mẫu dầm ăn mòn D5-C và D6-C có mức độ ăn mòn cốt thép dọc trong khoảng 9 – 10%;  Tổ mẫu IV: hai mẫu ăn mòn D7-C và D8-C có mức độ ăn mòn cốt thép dọc trong khoảng 13 – 15%. 2.4. Thực nghiệm ứng xử uốn của kết cấu dầm BTCT bị ăn mòn 2.4.1. Mục đích thí nghiệm Thí nghiệm uốn bốn điểm đã được thực hiện trên từng mẫu dầm thí nghiệm nhằm xác định các đặc trưng của ứng xử uốn như biểu đồ tải trọng – độ võng, tải trọng gây nứt, tải trọng phá hoại (lớn nhất), độ võng khi nứt, độ võng khi phá hoại, sơ đồ vết nứt do tải trọng và dạng phá hoại của dầm.
10 2.4.2. Sơ đồ thí nghiệm Hình 2.15. Sơ đồ thí nghiệm uốn dầm 2.4.3. Quan hệ giữa tải trọng và độ võng (a) Đối với tổ mẫu I (dầm đối chứng) 40 30 Dầm D1-NC 20 Dầm D2-NC 10 0 0 10 20 30 40 50 Độ võng giữa nhịp f(mm) Hình 2.17. Biểu đồ tải trọng – độ võng của hai dầm đối chứng D1-NC và D2-NC Dầm D1-NC có tải trọng phá hoại Pph=35,0 kN và độ võng giữa nhịp tương ứng fph=24,74 mm. Dầm D2-NC có tải trọng phá hoại Pph=38,5 kN và độ võng giữa nhịp tương ứng fph=24,82 mm. (b) Đối với tổ mẫu II (cm = 5,40% - 5,66%) 40 30 Dầm D3-C 20 Dầm D4-C 10 0 0 10 20 30 40 50 Độ võng giữa nhịp f(mm) Hình 2.18. Biểu đồ tải trọng – độ võng của hai dầm ăn mòn D3-C và D4-C Dầm ăn mòn D3-C có tải trọng phá hoại Pph=36,2 kN và độ võng giữa nhịp tương ứng fph=28,25 mm. Dầm ăn mòn D4-C có tải trọng phá hoại Pph=35,7 kN và độ võng giữa nhịp tương ứng fph=28,24 mm. (c) Đối với tổ mẫu III (cm = 9,37% - 9,48%)
11 Hình 2.19. Biểu đồ tải trọng – độ võng của hai dầm ăn mòn D5-C và D6-C Dầm ăn mòn D5-C có tải trọng phá hoại Pph=32,4 kN và độ võng giữa nhịp tương ứng fph=24,88 mm. Dầm ăn mòn D6-C có tải trọng phá hoại Pph=31,9 kN và độ võng giữa nhịp tương ứng fph=26,69 mm. (d) Đối với tổ mẫu IV (cm = 13,69% - 14,84%) Tải trọng P(kN) Hình 2.20. Biểu đồ tải trọng – độ võng của hai dầm ăn mòn D7-C và D8-C Dầm ăn mòn D7-C có tải trọng phá hoại Pph=33,1 kN và độ võng giữa nhịp tương ứng fph=29,80 mm. Dầm ăn mòn D8-C có tải trọng phá hoại Pph=31,1 kN và độ võng giữa nhịp tương ứng fph=22,83 mm. 3.2.4. Phân tích ảnh hưởng của ăn mòn cốt thép dọc đến ứng xử uốn của dầm BTCT Hình 2.22. So sánh biểu đồ tải trọng – độ võng giữa dầm đối chứng và dầm ăn mòn
12 2.5. Sơ đồ vết nứt bê tông trên dầm BTCT Hình 2.37. Sơ đồ vết nứt bê tông do tải trọng trên dầm đối chứng D1-NC Hình 2.38. Sơ đồ vết nứt bê tông do tải trọng trên dầm đối chứng D2-NC Hình 2.39. Sơ đồ vết nứt bê tông do tải trọng trên dầm ăn mòn D3-C Hình 2.40. Sơ đồ vết nứt bê tông do tải trọng trên dầm ăn mòn D4-C Hình 2.41. Sơ đồ vết nứt bê tông do tải trọng trên dầm ăn mòn D5-C
13 Hình 2.42. Sơ đồ vết nứt bê tông do tải trọng trên dầm ăn mòn D6-C Hình 2.43. Sơ đồ vết nứt bê tông do tải trọng trên dầm ăn mòn D7-C Hình 2.44. Sơ đồ vết nứt bê tông do tải trọng trên dầm ăn mòn D8-C 2.6. Kết luận Chương 2 - Khi mức độ ăn mòn cốt thép dọc trong khoảng 5 – 6%, thì ít ảnh hưởng đến khả năng chịu uốn và độ võng tại thời điểm phá hoại của dầm. - Khi mức độ ăn mòn cốt thép dọc trong khoảng 9 – 10%, thì khả năng chịu lực của dầm giảm khoảng 12,8%, tương ứng với khả năng chịu lực còn lại khoảng 87,2% so với dầm đối chứng. - Khi mức độ ăn mòn cốt thép dọc trong khoảng 13 – 15%, thì khả năng chịu lực của dầm có thể giảm đến 19,2% so với dầm đối chứng, có nguy cơ dẫn đến phá hoại giòn do cốt thép bị đứt bởi hiện tượng ăn mòn điểm. - Ở các cấp tải trọng nhỏ thì độ võng giữa nhịp của dầm tăng khi tăng mức độ ăn mòn cốt thép dọc. Tuy nhiên, với các mức độ ăn mòn trong khoảng 0 – 15% thì ít ảnh hưởng đến độ võng của dầm tại thời điểm phá hoại, nhưng giá trị độ võng có xu hướng phân tán giữa các dầm có mức độ ăn mòn cao.
14 CHƯƠNG 3 – NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM GIA CƯỜNG CHỊU UỐN KẾT CẤU DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP BỊ ĂN MÒN BẰNG TẤM CFRP 3.1. Thực nghiệm gia cường chịu uốn dầm BTCT bị ăn mòn 3.1.1. Vật liệu sử dụng (a) Bê tông Vật liệu bê tông sử dụng được thiết kế có cấp độ bền nén B30. Thí nghiệm nén bê tông cho kết quả cường độ nén trung bình bằng 40,9 MPa, độ lệch chuẩn 2,4 MPa và hệ số biến động bằng 1,6%. (b) Cốt thép Để chế tạo các dầm thí nghiệm, cốt thép sử dụng có cùng nguồn gốc và cùng một lô sản xuất với loại cốt thép đã sử dụng để chế tạo các dầm ăn mòn trong Chương 2. (c) Vật liệu gia cường Trong nghiên cứu này, tấm sợi CFRP dệt một phương, mã sản phẩm UT70-20G của hãng Toray, Nhật Bản đã được sử dụng để gia cường chịu uốn cho các kết cấu dầm BTCT bị ăn mòn. Bảng 3.1. Các tính chất cơ học của sợi CFRP Cường độ Mô đun Trọng lượng Tỷ trọng Chiều dày chịu kéo đàn hồi sợi (g/cm2) (g/cm3) tấm sợi (MPa) (GPa) (mm) 3400 245 200 1,8 0,111 3.1.2. Mẫu dầm gia cường  Tổ mẫu V: gồm hai dầm D9-CFRP và D10-CFRP, dán tấm CFRP có bề rộng b = 150 mm và chiều dài L = 2000 mm.  Tổ mẫu VI: gồm hai dầm D11-CFRP và D12-CFRP, dán tấm CFRP có bề rộng b = 150 mm và chiều dài L = 1400 mm.  Tổ mẫu VII: gồm hai dầm D13-CFRP và D14-CFRP, dán tấm CFRP có bề rộng b = 150 mm và chiều dài L = 1000 mm. 3.1.3. Quy trình gia cường chịu uốn dầm ăn mòn bằng tấm sợi CFRP Bước 1: Chuẩn bị bề mặt dầm cho công tác sửa chữa vết nứt. Bước 2: Tạo lỗ khoan và lắp đặt các xy lanh. Bước 3: Bịt kín toàn bộ vết nứt bề mặt bằng chất kết dính. Bước 4: Bơm keo hai thành phần để điền đầy các vết nứt bên trong Bước 5: Dán gia cường tấm sợi CFRP 3.2. Thực nghiệm ứng xử uốn của dầm ăn mòn gia cường 3.2.1. Mục đích thí nghiệm Thí nghiệm uốn bốn điểm được thực hiện trên từng mẫu dầm nhằm mục đích xác định ứng xử cơ học của dầm ăn mòn sau khi được gia
15 cường bằng tấm sợi CFRP. Từ đó, hiệu quả gia cường chịu uốn dầm ăn mòn bằng vật liệu tấm sợi CFRP có thể được xác định. 3.2.2. Sơ đồ thí nghiệm Thí nghiệm uốn bốn điểm được thực hiện theo sơ đồ tương tự như đối với dầm đối chứng và dầm ăn mòn trong Chương 2. 3.2.3. Quan hệ giữa tải trọng và độ võng (a) Đối với tổ mẫu V: hai dầm gia cường D9-CFRP và D10-CFRP Dầm gia cường D9-CFRP có tải trọng phá hoại Pph=59,9 kN, độ võng giữa nhịp tương ứng fph=24,23 mm, và độ võng cực hạn fu=33,73 mm. Dầm D10-CFRP có tải trọng phá hoại Pph=59,1 kN, độ võng giữa nhịp tương ứng fph=23,19 mm, và độ võng cực hạn fu=37,79 mm. 60 50 Tải trọng P (kN) 40 30 D9-CFRP D10-CFRP 20 10 0 0 10 20 30 40 Độ võng f (mm) Hình 3.16. Biểu đồ tải trọng – độ võng của dầm D9-CFRP và D10-CFRP (b) Đối với tổ mẫu VI: hai dầm gia cường D11-CFRP và D12-CFRP Dầm gia cường D11-CFRP có tải trọng phá hoại Pph=47,3 kN, độ võng giữa nhịp khi phá hoại fph=15,82 mm, và độ võng cực hạn fu=22,46 mm. Dầm gia cường D12-CFRP có tải trọng phá hoại Pph=45,2 kN, độ võng giữa nhịp khi phá hoại fph=9,59 mm, và độ võng cực hạn fu=22,57 mm. 60 50 Tải trọng P (kN) 40 30 D11-CFRP 20 D12-CFRP 10 0 0 5 10 15 20 25 Độ võng f (mm) Hình 3.17. Biểu đồ tải trọng – độ võng của dầm D11-CFRP và D12-CFRP (c) Đối với tổ mẫu VII: hai dầm gia cường D13-CFRP và D14-CFRP Dầm gia cường D13-CFRP có tải trọng phá hoại Pph=41,5 kN, độ võng giữa nhịp khi phá hoại fph=8,14 mm, và độ võng cực hạn fu=16,34 mm.
16 Dầm gia cường D14-CFRP có tải trọng phá hoại Pph=39,3 kN, độ võng giữa nhịp khi phá hoại fph=6,79 mm, và độ võng cực hạn fu=15,50 mm. 50 40 Tải trọng P (kN) 30 D13-CFRP 20 D14-CFRP 10 0 0 5 10 15 20 Độ võng f (mm) Hình 3.18. Biểu đồ tải trọng – độ võng của dầm D13-CFRP và D14-CFRP 3.3. Phân tích kết quả thực nghiệm 3.3.1. Khả năng chịu lực của dầm ăn mòn gia cường 60 50 Tải trọng P (kN) 40 30 D9-CFRP D10-CFRP 20 D11-CFRP D12-CFRP 10 D13-CFRP D14-CFRP 0 0 10 20 30 40 Độ võng f (mm) Hình 3.19. So sánh biểu đồ tải trọng – độ võng giữa các mẫu dầm ăn mòn gia cường 3.3.2. Độ võng của dầm Khi giảm chiều dài tấm CFRP từ 2000 xuống 1000 mm, thì độ võng khi phá hoại giảm từ 23,7 xuống 7,5 mm, tương đương giảm 68,4%. Trong khi đó, độ võng cực hạn ở thời điểm cuối cùng cũng giảm từ 35,8 xuống 15,9 mm, tương đương giảm 55,6%. 40 37.8 35 33.7 30 24.2 Độ võng (mm) 25 23.2 22.5 22.6 20 16.3 15.8 15.5 15 9.6 10 8.1 6.8 5 0 D9-CFRP D10-CFRP D11-CFRP D12-CFRP D13-CFRP D14-CFRP Dầm TN Hình 3.20. So sánh độ võng khi phá hoại và độ võng cực hạn giữa các dầm ăn mòn gia cường
17 3.4. Kết luận Chương 3 - Phương pháp gia cường bằng tấm sợi CFRP có thể được áp dụng để cải thiện khả năng chịu lực của các dầm ăn mòn trong khoảng 9 – 10%, do khả năng chịu lực còn lại lớn hơn 75% so với dầm đối chứng và lớp bê tông bảo vệ chưa bị bong tách mặc dù số lượng vết nứt do ăn mòn đã xuất hiện nhiều trên bề mặt dầm. - Bằng cách dán tấm CFRP ở đáy dầm, khả năng chịu lực của dầm gia cường tăng từ 1,10 đến 1,62 lần so với dầm đối chứng, và tăng từ 1,26 đến 1,85 lần so với dầm ăn mòn. Đối với dầm ăn mòn, nghiên cứu kiến nghị dán tấm CFRP trên toàn bộ nhịp dầm để đạt được hiệu quả tối đa về gia cường chịu uốn. - Cơ chế hư hỏng của dầm gia cường với chiều dài tấm CFRP tương đương nhịp dầm là sự bong tách tấm xảy ra do vết nứt xuất hiện ở giữa tấm và phá hoại uốn, đặc trưng bởi vùng bê tông chịu nén bị vỡ. Trong khi đó, khi giảm chiều dài tấm CFRP, cơ chế hư hỏng có thể chuyển từ dạng phá hoại uốn sang dạng phá hoại uốn - cắt, đặc trưng bởi sự bong tách lớp bê tông bảo vệ ở đáy dầm, vết nứt nghiêng, đồng thời vùng bê tông chịu nén bị vỡ. - Độ cứng ban đầu của dầm gia cường tương đương với dầm đối chứng. Tuy nhiên, độ võng khi phá hoại và độ võng cực hạn của dầm giảm đáng kể (55,6 – 68,4%) khi giảm chiều dài tấm sợi CFRP từ 1 xuống 0,5 chiều dài nhịp dầm. 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 4.1. Mở đầu Dựa trên các kết quả thực nghiệm về quan hệ tải trọng – chuyển vị, sơ đồ vết nứt và cơ chế phá hoại, các số liệu thực nghiệm được sử dụng để kiểm chứng mô hình số và phát triển một chuỗi các mô hình số. Sau đó, nghiên cứu tham số đã được thực hiện để khảo sát ảnh hưởng của các tham số thiết kế đến ứng xử uốn của kết cấu dầm ăn mòn gia cường bằng tấm sợi CFRP. 4.2. Tóm tắt chương trình thực nghiệm 4.2.1. Vật liệu và dầm thí nghiệm Sáu mẫu dầm thí nghiệm được lựa chọn để mở rộng nghiên cứu ứng xử của dầm ăn mòn gia cường bằng phương pháp PTHH. Tổ mẫu I gồm hai dầm đối chứng D1-NC và D2-NC. Tổ mẫu V gồm hai dầm ăn mòn D5-C và D6-C. Tổ mẫu V gồm hai dầm ăn mòn gia cường D9- CFRP và D10-CFRP.
18 4.2.2. Kết quả thực nghiệm. Những kết quả thực nghiệm của sáu mẫu dầm thí nghiệm được tổng hợp trong Hình 4.2. Hình 4.2. Biểu đồ tải trọng – chuyển vị thu được từ thí nghiệm uốn 4.3. Mô hình phần tử hữu hạn phi tuyến 4.3.1. Định nghĩa phần tử Hình 4.3. Mô hình chia lưới dầm ăn mòn gia cường bằng CFRP 4.3.2. Mô hình vật liệu 4.3.2.1. Mô hình bê tông (a) Bê tông thông thường (b) Bê tông xuống cấp do ăn mòn Hình 4.6. Mô hình vật liệu của bê tông 4.3.2.2. Mô hình bám dính giữa bê tông và cốt thép Hình 4.7. Mô hình liên kết bám dính giữa bê tông và cốt thép