NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG KHÁNG UỐN CHO KẾT CẤU DẦM BTCT BỊ HƯ HỎNG BẰNG BÊ TÔNG UHPC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN NĂM HỌC
2021 - 2022

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG KHÁNG UỐN CHO
KẾT CẤU DẦM BTCT BỊ HƯ HỎNG BẰNG BÊ TÔNG UHPC
Mã số: XD-2022-02
Sinh viên thực hiện:
Trần Quốc Mạnh

63XD1

MSSV: 138663

Nguyễn Trung Kiên

63XD1

MSSV: 113263

Nguyễn Văn Nam

63XD1

MSSV: 146663

Nguyễn Trung Thành

63XD1

MSSV: 1542363

Nguyễn Đức Long

63XD5

MSSV: 127663

Giáo viên hướng dẫn:
ThS Nguyễn Văn Quang - Bộ mơn TN & KĐ cơng trình
PGS.TS Nguyễn Trung Hiếu - Bộ mơn TN & KĐ cơng trình

Hà Nội, tháng 6 năm 2022


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN NĂM HỌC 2021 - 2022

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG KHÁNG UỐN CHO
KẾT CẤU DẦM BTCT BỊ HƯ HỎNG BẰNG BÊ TÔNG UHPC
Mã số: XD-2022-02
Sinh viên thực hiện:
Trần Quốc Mạnh

63XD1

MSSV: 138663

Nguyễn Trung Kiên

63XD1

MSSV: 113263

Nguyễn Văn Nam

63XD1

MSSV: 146663

Nguyễn Trung Thành

63XD1

MSSV: 1542363

Nguyễn Đức Long

63XD5

MSSV: 127663

Giáo viên hướng dẫn:
ThS Nguyễn Văn Quang - Bộ mơn TN & KĐ cơng trình
PGS.TS Nguyễn Trung Hiếu- Bộ mơn TN & KĐ cơng trình

Cán bộ hướng dẫn

Sinh viên trưởng nhóm

Nguyễn Văn Quang

Trần Quốc Mạnh
2


Mục lục

MỞ ĐẦU .......................................................................................................................9
1.

Đặt vấn đề...............................................................................................................9

2.

Mục tiêu nghiên cứu ...........................................................................................10

3.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................10

4.

Phương pháp nghiên cứu....................................................................................10

5.

Cấu trúc đề tài ......................................................................................................10

TỔNG QUAN VỀ HƯ HỎNG KẾT CẤU BÊ TƠNG CỐT THÉP VÀ BÊ TƠNG
TÍNH NĂNG SIÊU CAO UHPC ..............................................................................11
1.1
SỰ LÀM VIỆC THEO THỜI GIAN VÀ HƯ HỎNG CỦA KẾT CẤU BÊ
TÔNG CỐT THÉP ...................................................................................................11
1.1.1.

Sự làm việc theo thời gian của cơng trình xây dựng ..............................11

1.1.2.

Các yếu tố tác động đến cơng trình xây dựng và một số ngun nhân

chính gây hư hỏng kết cấu trên cơng trình ...........................................................12
1.2
CÁC GIẢI PHÁP SỬA CHỮA, GIA CƯỜNG KẾT CẤU DẦM BÊ
TÔNG CỐT THÉP LÀM VIỆC CHỊU UỐN ..........................................................14
1.2.1.

Gia cường bằng cách mở rộng tiết diện [1] ..........................................14

1.2.2.

Phương pháp dán bản thép [1] ..............................................................15

1.2.3.

Gia cường bằng ứng lực trước căng ngoài [1].....................................16

1.2.4.

Phương pháp gia cường sử dụng vật liệu tấm sợi composite [1] ..........17

1.3

Vật liệu bê tông cường độ siêu cao (UHPC) và các ứng dụng [11] ...........18

1.3.1.

Bê tông UHPC và một số ưu nhược điểm chính ....................................18

1.3.2.

Ứng dụng của vật liệu UHPC trong thực tế xây dựng hiện nay ............19

1.3.1.

Một số nghiên cứu sử dụng bê tông UHPC để gia cường dầm BTCT ...20

1.4

NHẬN XÉT CHƯƠNG 1...........................................................................21

3

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HIỆU QUẢ GIA CƯỜNG
KHÁNG UỐN DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG BÊ TÔNG UHPC .............22
2.1

Mục đích thí nghiệm ...................................................................................22

2.2

Mẫu thí nghiệm và vật liệu chế tạo dầm.....................................................22

2.2.1.

Mẫu thí nghiệm.......................................................................................22

2.2.2.

Vật liệu chế tạo dầm ...............................................................................25

2.3

Sơ đồ thí nghiệm và sơ đồ bố trí dụng cụ đo ..............................................28

2.3.1.

Sơ đồ thí nghiệm .....................................................................................28

2.3.2.

Sơ đồ bố trí dụng cụ đo ..........................................................................29

2.3.3.

Quy trình thí nghiệm ..............................................................................30

CHƯƠNG 3

PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .....................................31

3.1
Kết quả thí nghiệm sự làm việc chịu uốn của dầm gia cường UHPC vùng
kéo và dầm đối chứng...............................................................................................31
3.1.1.

Quan hệ tải trọng độ võng .....................................................................31

3.1.2.

Quan hệ tải trọng biến dạng ..................................................................33

3.1.3.

Sự hình thành và mở rộng vết nứt ..........................................................34

3.1.4.

Cơ chế phá hoại .....................................................................................36

3.2
Mơ hình đơn giản tính tốn khả năng chịu lực của dầm gia cường có kể
đến sự làm việc của bê tơng UHPC trong vùng kéo ................................................36

3.2.1.

Giả thiết tính tốn ..................................................................................36

3.2.2.

So sánh kết quả nghiên cứu lý thuyết và kết quả thực nghiệm...............38

3.3

NHẬN XÉT CHƯƠNG 3...........................................................................39

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................................40
Tài liệu tham khảo .....................................................................................................41

4


Danh mục hình vẽ
Hình 1.1. Các yếu tố tác động lên cơng trình xây dựng [1] ........................................11
Hình 1.2. Sự suy giảm độ bền vững theo thời gian của cơng trình xây dựng [1] ........12
Hình 1.3. Các yếu tố tác động lên cơng trình xây dựng [1] ........................................13
Hình 1.4 Dầm BTCT bị nứt do khơng đủ chịu lực (sai sót trong khâu thiết kế) [1] ....14
Hình 1.5 Hư hỏng kết cấu BTCT do ăn mịn cốt thép chịu lực[1] ...............................14
Hình 1.6 Một số dạng gia cường tăng tiết diện cho cột, dầm, sàn BTCT ...................15
Hình 1.7 Hình ảnh gia cường cột bằng cách tăng tiết diện .........................................15
Hình 1.8 Gia cường kháng uốn dầm BTCT bằng dán bản thép .................................16
Hình 1.9 Gia cường dầm BTCT bằng phương pháp ứng lực trước căng ngồi 1- Dầm
hiện có; 2. Thép hình căng gia cường; 3. Bu-lông dùng để căng; 4. Thanh phụ trợ; 5bu-lông cường độ cao để neo .......................................................................................16
Hình 1.10 Hình ảnh gia cường dầm BTCT bằng phương pháp ứng lực trước căng

ngoài .............................................................................................................................16
Hình 1.11 Các dạng vật liệu composite ......................................................................17
Hình 1.12 Gia cường cột BTCT bằng vật liệu FRP ....................................................17
Hình 1.13 Gia cường kháng uốn dầm BTCT bằng vật liệu FRP ................................18
Hình 1.14 Ứng dụng UHPC trong ngành cầu đường .................................................20
Hình 1.15 Một số phương pháp sử dụng UHPC gia cường cấu kiện chịu uốn [6-8] 21
Hình 2.1 Chi tiết cấu tạo dầm D1.1 và D1.2 ..............................................................23
Hình 2.2 Chi tiết cấu tạo dầm đối chứng D0 .............................................................23
Hình 2.3 Gia cơng và buộc cốt thép dầm...................................................................24
Hình 2.4 Trộn bê tơng thường và bê tơng UHPC theo cấp phối ...............................24
Hình 2.5 Chế tạo mẫu dầm thí nghiệm ......................................................................25
Hình 2.6 Thí nghiệm cường độ chịu nén của bê tơng thường....................................26
Hình 2.7 Thí nghiệm cường độ chịu nén của bê tông UHPC ....................................26
5


Hình 2.8 Mặt cắt dầm bê tơng gia cường UHPC vùng kéo .......................................28
Hình 2.9 Sơ đồ thí nghiệm dầm..................................................................................28
Hình 2.10 Sơ đồ thí nghiệm dầm bê tơng UHPC gia cường .....................................29
Hình 2.11 Tem đo biến dạng cốt thép vùng kéo .........................................................29
Hình 2.12 Tem điện trở đo biến dạng bê tơng vùng nén của dầm .............................29
Hình 2.13 Thí nghiệm dầm bê tơng đối chứng...........................................................30
Hình 2.14 Thí nghiệm dầm bê tơng gia cường UHPC...............................................30
Hình 3.1. Quan hệ tải trọng độ võng của dầm D0, D1.1 và D1.2 ...............................31
Hình 3.2. Quan hệ tải trọng biến dạng cốt thép vùng kéo và biến dạng bê tơng vùng
nén ................................................................................................................................33
Hình 3.3. Bê tơng vùng nén bị ép vỡ ............................................................................36
Hình 3.4. Sơ đồ ứng suất biến dạng có kể đến sự làm việc của bê tơng UHPC ..........37

6

Danh mục bảng

Bảng 2.1. Thông số cấu tạo dầm ..................................................................................23
Bảng 2.2. Thành phần cấp phối vật liệu chế tạo bê tông UHPC (đơn vị kg/m3) .........25
Bảng 2.3. Thành phần cấp phối vật liệu chế tạo bê tông (đơn vị kg/m3) .....................26
Bảng 2.4. Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén của bê tông (đơn vị kg/m3) ............26
Bảng 2.5. Đặc trưng cơ học của cốt thép ....................................................................27
Bảng 3.1. Các giá trị tải trọng và độ võng đặc trưng ..................................................32
Bảng 3.2. Sự hình thành và phân bố vết nứt các dầm D1.1 và dầm D1.2 ...................34

7


Tóm tắt đề tài

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG KHÁNG UỐN CHO
KẾT CẤU DẦM BTCT BỊ HƯ HỎNG BẰNG BÊ TÔNG UHPC

Mã số: XD-2022-02
Nội dung đề tài đi vào nghiên cứu giải pháp gia cường kháng uốn cho kết cấu dầm bê tông
cốt thép (BTCT) bằng vật liệu bê tông tính năng siêu cao (UHPC). Đây là một trong những
giải pháp khá mới để gia cường kết cấu BTCT bên cạnh các giải pháp gia cường khác như sử
dụng kết cấu thép, tấm sợi các bon (GFRP), ứng lực trước căng ngoài, bổ sung gối tựa phụ…
Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu chế tạo 03 dầm BTCT cùng kích thước
150x200x2200 (mm), cùng cường độ bê tông, cùng cốt thép chịu kéo. Trong đó có 02 dầm
BTCT được gia cường tại vùng bê tông vùng chịu kéo với chiều dày lớp UHPC là 5cm được
đổ bù lồng vào cốt chủ và 01 dầm BTCT nguyên tiết diện là dầm đối chứng. Nghiên cứu
đánh giá sự làm việc chịu uốn của dầm BTCT thơng qua thí nghiệm uốn bốn điểm và khảo

sát các thơng số thí nghiệm như tải trọng, độ võng, biến dạng bê tông vùng nén, biến dạng
cốt thép vùng kéo. Từ các kết quả thí nghiệm cho phép làm rõ hiệu quả của việc sử dụng bê
tông UHPC để gia cường kết cấu BTCT chịu uốn như sự thay đổi về giá trị mô men giới hạn,
độ cứng, sự hình thành và phát triển vết nứt. Bên cạnh đó dựa trên các kết quả thí nghiệm
tiến hành so sánh với các kết quả tính tốn lý thuyết với mơ hình tính tốn khả năng chịu lực
của dầm BTCT có kể đến sự làm việc của bê tơng vùng kéo UHPC. Trên cơ sở các kết quả
thu được từ đề tài cho thấy sự phù hợp và hiệu quả của giải pháp sử dụng bê tông UHPC để
gia cường kết cấu BTCT
Từ khóa: Dầm BTCT, Gia cường; UHPC; Khả năng chịu lực; Dầm bê tông hai lớp

8


MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Hư hỏng trong kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) đã và đang là vấn đề đang nhận được
nhiều sự quan tâm, bởi lẽ chúng là vật liệu xây dựng chủ yếu bảo đảm độ vững chắc
của cơng trình, liên quan đến tính mạng của nhiều người.
Một số nguyên nhân dẫn đến hư hỏng kết cấu BTCT như chất lượng thi công không
đảm bảo, thay đổi công năng sử dụng, tác động của môi trường (tác động nhiệt, tác
động của các yếu tố xâm thực, độ ẩm...) dẫn đến cần có những biện pháp gia cường
sửa chữa nhằm đảm bảo khả năng chịu lực của kết cấu, đảm bảo tuổi thọ của kết cấu
cơng trình. Hiện nay có nhiều giải pháp gia cường kết cấu BTCT khác nhau như giải
pháp gia cường bằng cách mở rộng tiết diện của kết cấu, phương pháp dán bản thép,
phương pháp sử dụng ứng lực trước căng ngoài, phương pháp sử dụng tấm sợi
composite (FRP)… Trong đó phương pháp gia cường bằng cách mở rộng tiết diện
được sử dụng khá phổ biến do những ưu điểm như dễ dàng thi công, giá thành rẻ.
Thông thường phần bê tông mới sử dụng để mở rộng tiết diện có cấp độ bền tương
đương hoặc lớn hơn không nhiều so với bê tông của cấu kiện cũ dẫn tới hiệu quả gia
cường thấp, cần tiết diện gia cường lớn dẫn tới tăng nhiều kích thước tiết diện, ảnh

hưởng đến khơng gian kiến trúc.
Bê tông chất lượng siêu cao là loại bê tông mới cịn gọi là bê tơng siêu tính năng
(UHPC - Ultra High Performance Concrete). Một số tính năng của loại bê tơng này
như có độ chảy cao, cường độ chịu nén cao (lớn hơn 120 MPa), cường độ kéo uốn lớn
(khi sử dụng cốt sợi), độ thấm thấp và độ bền cao. Các nghiên cứu áp dụng loại bê
tông này phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây như để chế tạo các cấu kiện
đúc sẵn như cừ biển, cầu dân sinh, các tấm ốp... Tuy nhiên, các nghiên cứu sử dụng
loại bê tông này để gia cường cho kết cấu dân dụng cịn khá ít.
Từ những lý do trên, nhóm nghiên cứu lựa chọn đề tài “Nghiên cứu giải pháp gia
cường kháng uốn cho kết cấu dầm BTCT bị hư hỏng bằng bê tông UHPC” làm nội
dung nghiên cứu của đề tài.

9


2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu tổng quan về các hư hỏng và các giải pháp gia cường trên kết cấu
dầm BTCT và về vật vật liệu UHPC;
Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá sự làm việc chịu uốn của dầm BTCT sử
dụng bê tông UHPC gia cường vùng kéo, đồng thời so sánh với dầm đối chứng qua
đó đánh giá được sự phù hợp và hiệu quả khi sử dụng loại bê tông này để gia cường
kết cấu dầm BTCT; Tính tốn lý thuyết về mơ hình tính tốn khả năng chịu lực của
dầm bê tông cốt thép hai lớp có kể đến sự làm việc của bê tơng vùng kéo của bê tông
vùng kéo UHPC;

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Tiến hành nghiên cứu trên cấu kiện dầm BTCT chịu
uốn theo sơ đồ dầm đơn giản;
Phạm vi nghiên cứu: Sử dụng bê tông UHPC gia cường phần bê tông vùng
kéo với chiều dày của lớp UHPC là 5cm

4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu thực nghiệm kết hợp với lý thuyết trong đó nghiên cứu thực
nghiệm là phương pháp nghiên cứu chính.

5. Cấu trúc đề tài
Đề tài gồm các nội dung sau:
- Mở đầu: Đặt vấn đề, mục tiêu của đề tài nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu và
các chương nội dung.
- Chương I: Tổng quan về hư hỏng kết cấu BTCT và bê tông UHPC
- Chương III: Nghiên cứu thực nghiệm
- Chương III: Phân tích và đánh giá kết quả .
- Kết luận và kiến nghị.
- Tài liệu tham khảo.

10


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HƯ HỎNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP
VÀ BÊ TƠNG TÍNH NĂNG SIÊU CAO UHPC
Trong chương này trình bày các vấn đề liên quan đến sự làm việc theo thời gian, hư
hỏng trên kết cấu bê tông cốt thép (BTCT), các giải pháp gia cường kết cấu bê tông
cốt thép và tổng quan về bê tông tính năng siêu cao UHPC.
1.1
SỰ LÀM VIỆC THEO THỜI GIAN VÀ HƯ HỎNG CỦA KẾT CẤU BÊ
TÔNG CỐT THÉP
1.1.1.

Sự làm việc theo thời gian của cơng trình xây dựng

Sự ra đời của một cơng trình xây dựng nói chung và cơng trình có kết cấu chịu lực
bằng bê tơng cốt thép nói riêng từ nhu cầu xây dựng, giai đoạn thiết kế, thi cơng, cũng
như q trình khai thác, sử dụng cho đến khi cơng trình hư hỏng hồn tồn có thể
được biểu hiện bằng sơ đồ trình bày trên Hình 1.1.

Hình 1.1. Các yếu tố tác động lên cơng trình xây dựng [1]
Qua sơ đồ này có thể thấy để có một cơng trình xây dựng có chất lượng, đạt được
yêu cầu đề ra là cả một quá trình dài với nhiều yếu tố tham gia, từ giai đoạn thiết kế
với các giải pháp kỹ thuật phù hợp, sau đó giai đoạn thi cơng với chất lượng thi
cơng… cho đến khi cơng trình bắt đầu được đưa vào sử dụng.

11


Hình 1.2. Sự suy giảm độ bền vững theo thời gian của cơng trình xây dựng [1]
Trên Hình 1.2 trình bày sự suy giảm độ bền vững của cơng trình xây dựng theo
thời gian. Độ bền vững của cơng trình xây dựng có hệ kết cấu chịu lực bằng BTCT
được quyết định dựa trên khả năng chịu lực của hệ kết cấu. Sự suy giảm khả năng
chịu lực của hệ kết cấu diễn ra theo thời gian và đây là q trình tất yếu đối với cơng
trình xây dựng. Tuy nhiên trong thực tế, sự suy giảm độ bền vững có thể khác (nhanh
hơn) so với dự kiến (đường đứt nét). Để đảm bảo khả năng làm việc của kết cấu cơng
trình BTCT, cơng tác sửa chữa gia cường kết cấu là một giải pháp có hiệu quả. Cơng
tác sửa chữa gia cường được áp dụng cho các kết cấu bị hư hỏng hoặc các kết cấu có
sự thay đổi công năng làm việc so với thiết kế ban đầu. Việc gia cường sửa chữa
nhằm đảm bảo kết cấu làm việc đáp ứng được các yêu cầu về công năng sử dụng và
cơng năng chịu lực, có thể áp dụng cho kết cấu cột làm việc chịu nén, kết cấu dầm,
sàn làm việc chịu uốn…
1.1.2. Các yếu tố tác động đến cơng trình xây dựng và một số ngun nhân chính
gây hư hỏng kết cấu trên cơng trình
Rất nhiều các yếu tố khác nhau tác động lên cơng trình xây dựng trong suốt q trình

tồn tại của nó tuy nhiên có thể chia thành 02 nhóm sau:
- Tác động cơ học: tĩnh tải do trọng lượng bản thân của kết cấu, của các lớp vật liệu
cấu tạo, hoạt tải sử dụng và các tác động do tải trọng bất thường (động đất, cháy, nổ.).
- Tác động của các yếu tố mơi trường: nhiệt độ, độ ẩm các yếu tố có nguồn gốc hóa
học tồn tại trong mơi trường …
Trên Hình1.3 minh họa các yếu tố tác động đến sự làm việc của cơng trình có kết cấu
chịu lực bằng BTCT.

12


Hình 1.3. Các yếu tố tác động lên cơng trình xây dựng [1]
Sự tác động của các yếu tố kể trên đến cơng trình xây dựng khơng riêng rẽ mà các
tác động xảy ra đồng thời. Điều này dẫn đến việc đánh giá sự làm việc của cơng trình
hoặc sự hư hỏng, xuống cấp (nếu có) của cơng trình xây dựng gặp nhiều khó khăn.
Đối với các tác động cơ học: về nguyên lý các tác động này thường được kể đến trong
giai đoạn tính tốn thiết kế cơng trình. Tuy nhiên luôn tồn tại những tác động cơ học
không được kể đến khi tính tốn thiết kế cơng trình , ví dụ:
+ Do chất lượng thi cơng khơng đảm bảo: thường trong trường hợp này sẽ dẫn đến
kết cấu làm việc sai với sơ đồ tính được sử dụng khi tính tốn thiết kế. Điều này dẫn
đến kết cấu làm việc với trạng thái khác với dự kiến ban đầu.
+ Do sự thay đổi công năng sử dụng: dẫn đến sai khác tải trọng tác động lên kết
cấu so với tính tốn thiết kế.
+ Do tác động của thiên tai (gió bão, động đất) vượt quá giá trị dự báo khi thiết kế
cơng trình.
+ Do tác động của cháy, nổ.
Có thể nhận thấy trong trường hợp này, các tác động cơ học thường ảnh hưởng
trực tiếp đến sự làm việc của các kết cấu chịu lực của cơng trình và trong thực tế
những vấn đề liên quan đến sự cố cơng trình xây dựng đều có liên quan trực tiếp đến
dạng tác động này.

Đối với các tác động do yếu tố mơi trường: hiện nay trong tính tốn thiết kế thường
không kể đến ảnh hưởng của các yếu tố này. Ví dụ khi tính tốn kết cấu BTCT khơng
kể đến ứng suất phát sinh trong kết cấu do biến dạng co ngót, biến dạng từ biến của
vật liệu bê tơng. Các tác động của mơi trường đến cơng trình xây dựng có nhiều dạng
khác nhau, ví dụ:
+ Tác động của nhiệt độ môi trường;
+ Tác động do thay đổi độ ẩm môi trường;
+ Tác động của các yếu tố xâm thực (clorua, CO2, sun phát…).
13


Phụ thuộc vào vị trí xây dựng cơng trình mà các tác động mơi trường kể trên có
mức độ khác nhau. Ví dụ cơng trình xây dựng ven biển chịu tác động chính của yếu
tố xâm thực có nguồn gốc Clorua, cơng trình nhà máy cơng nghiệp thường chịu tác
động nhiều của hóa chất sử dụng trong q trình sản xuất…
Ảnh hưởng của các yếu tố xâm thực trực tiếp đến sự làm việc của các vật liệu cấu
thành nên kết cấu cơng trình. Trong trường hợp sự hư hỏng sẽ bắt đầu từ hư hỏng của
vật liệu dẫn đến sự suy giảm khả năng chịu lực của kết cấu cơng trình. Hư hỏng cơng
trình do tác động của các yếu tố mơi trường là một q trình lâu dài, không gây ra
những hư hỏng, phá hủy đột ngột công trình.

Hình 1.4 Dầm BTCT bị nứt do khơng đủ chịu lực (sai sót trong khâu thiết kế) [1]

Hình 1.5 Hư hỏng kết cấu BTCT do ăn mòn cốt thép chịu lực[1]
1.2
CÁC GIẢI PHÁP SỬA CHỮA, GIA CƯỜNG KẾT CẤU DẦM BÊ
TÔNG CỐT THÉP LÀM VIỆC CHỊU UỐN
1.2.1.

Gia cường bằng cách mở rộng tiết diện [1]

Đây là phương pháp gia cường truyền thống, dễ thực hiện. Theo phương pháp này,
diện tích mặt cắt ngang của kết cấu và hàm lượng cốt thép được tăng thêm nhờ đó
tăng khả năng chịu lực của kết cấu được gia cường. Nhược điểm chính của phương
pháp này là việc tăng kích thước tiết diện gây ảnh hưởng đến không gian kiến trúc,
14


thời gian thi công lâu. Phương pháp gia cường này có thể áp dụng cho kết cấu cột,
dầm, sàn.

a- Một số dạng gia cường kết cấu cột BTCT

b- Một số dạng gia cường kết cấu dầm BTCT

c- Một số dạng gia cường kết cấu sàn BTCT
Hình 1.6 Một số dạng gia cường tăng tiết diện cho cột, dầm, sàn BTCT

a - Lắp đặt cốt thép chịu lực bổ sung

b - Đổ bê tơng phần cột mở rộng

Hình 1.7 Hình ảnh gia cường cột bằng cách tăng tiết diện
1.2.2.

Phương pháp dán bản thép [1]
Phương pháp dán bản thép là một phương án gia cường truyền thống, thường được
áp dụng để gia cường kết cấu dầm, sàn làm việc chịu uốn. Bản thép được dán chặt
vào bề mặt bê tông vùng chịu kéo bằng keo dán chuyên dụng (có thể tăng độ bám
dính bằng các bu lơng neo) sẽ tham gia làm việc chịu kéo. Đây là phương pháp gia
cường hiệu quả, tuy nhiên thời gian thi công lâu và bản thép nằm ở mặt ngồi kết cấu

có thể chịu ảnh hưởng của môi trường làm suy giảm khả năng chịu lực.
15


Hình 1.8 Gia cường kháng uốn dầm BTCT bằng dán bản thép
1.2.3.

Gia cường bằng ứng lực trước căng ngoài [1]
Đây là phương pháp gia cường truyền thống, có độ tin cậy và hiệu quả cao. Nhược
điểm của phương pháp là việc thi cơng phức tạp, nhiều thời gian. Trên
Hình 1.9. trình bày minh họa phương pháp ứng lực trước căng ngồi sử dụng trong
cơng tác gia cường dầm BTCT.

Hình 1.9 Gia cường dầm BTCT bằng phương pháp ứng lực trước căng ngồi
1- Dầm hiện có; 2. Thép hình căng gia cường; 3. Bu-lông dùng để căng;
4. Thanh phụ trợ; 5- bu-lơng cường độ cao để neo

Hình 1.10 Hình ảnh gia cường dầm BTCT bằng phương pháp ứng lực trước
căng ngoài

16


1.2.4.

Phương pháp gia cường sử dụng vật liệu tấm sợi composite [1]
Phương pháp gia cường kết cấu BTCT bằng vật liệu composite (tên tiếng Anh
Fiber Reinforced Polymer, FRP) là phương pháp gia cường có hiệu quả được áp dụng
khá phổ biến ở các nước trên thế giới từ những năm 1990. Các dạng vật liệu
composite được sử dụng trong công tác gia cường được mình họa trên Hình 1.11

trong đó dạng vật liệu được sử dụng phổ biến nhất trong công tác gia cường kết cấu
BTCT là dạng tấm (FRP sheets). [1-4]

Dạng tấm

Dạng cuộn

Dạng thanh

Dạng băng

Hình 1.11 Các dạng vật liệu composite
Phương pháp gia cường kết cấu BTCT sử dụng tấm sợi FRP có thể áp dụng cho
các kết cấu chịu nén, chịu uốn, chịu xoắn…, ở cả trạng thái làm việc tĩnh và động.
Phương pháp này có những ưu điểm nổi bật như: phương pháp thi công đơn giản, rút
ngắn thời gian thi công so với các phương pháp gia cường truyền thống, khơng làm
tăng kích thước tiết diện kết cấu và công năng của kết cấu được sửa chữa, hiệu quả
gia cường cao do vật liệu FRP có những đặc điểm cơ học phù hợp với việc gia cường
kết cấu. Bên cạnh đó nhược điểm của phương pháp này là giá thành cao, độ bền của
liên kết giữa FRP và kết cấu BTCT chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố và ảnh hưởng
đến hiệu quả, độ bền vững lâu dài của kết cấu gia cường.

Hình 1.12 Gia cường cột BTCT bằng vật liệu FRP

17


Hình 1.13 Gia cường kháng uốn dầm BTCT bằng vật liệu FRP
1.3

Vật liệu bê tông cường độ siêu cao (UHPC) và các ứng dụng [11]
1.3.1. Bê tông UHPC và một số ưu nhược điểm chính

Bê tơng UHPC là loại bê tông được chế tạo từ hỗn hợp gồm cát quắc, xi măng,
SF, nước và PGSD với tỷ lệ N/CKD rất thấp (thường nhỏ hơn 0,25 tính theo khối
lượng). Trong đó lượng dùng chất kết dính tương đối cao, khoảng 900 - 1000 kg/m3 ;
lượng dùng SF thường là 150-250 kg/m3 (10-30% so với khối lượng xi măng). Sản
phẩm tạo thành có cường độ nén lớn hơn 100MPa, có thể đạt đến 250 MPa, có cường
độ kéo uốn lớn (khi sử dụng cốt sợi phân tán) và độ bền lâu cao.
 Ưu điểm của bê tông UHPC
Với đặc thù cấu trúc hạt nhỏ khá đồng nhất và rất đặc chắc, nên bê tơng UHPC
có các tính chất cơ lý vượt trội so với bê tông thường và bê tông chất lượng cao như:
cường độ siêu cao (Rn ≥120MPa, Ru ≥12MPa); độ bền dẻo dai cao (gấp 50 lần so với
mẫu đối chứng); chống thấm rất tốt; độ bền lâu cao… Điều này, cho phép khi thiết kế
cùng một khả năng chịu lực, kết cấu có tiết diện nhỏ hơn, nên lượng dùng vật liệu ít
hơn, tải trọng bản thân kết cấu giảm hơn. Hiệu quả này của bê tơng UHPC có thể thấy
qua sự so sánh với một số loại bê tông và thép thông thường sử dụng để chế tạo dầm
dự ứng lực. Vật liệu này dường như là có tiềm năng cạnh tranh với vật liệu thép. Các
tính chất của bê tơng UHPC có thể được tối ưu khi sử dụng kết hợp với biện pháp
dùng cốt thép ứng suất trước, khi đó sẽ phát huy được tối đa khả năng chịu uốn của
BTCLSC. Việc sử dụng cốt sợi thép phân tán trong hỗn hợp bê tông UHPC, trong
một số trường hợp, cho phép loại bỏ được những thanh cốt thép chịu uốn và chịu cắt.
Với các ưu điểm đã được phân tích ở trên, bê tơng UHPC có khả năng ứng dụng có
hiệu quả cho các kết cấu trong cơng trình. Đặc biệt có hiệu quả khi sử dụng cho kết
cấu nhịp lớn, chịu tải trọng cao, hay các tác động bất thường của ngoại lực cao như:
động đất, thiên tai, khủng bố... Bê tông UHPC cũng phát huy hiệu quả tốt, khi sử
18


dụng cho các cơng trình chịu tác động xâm thực mạnh như: cơng trình biển, thủy

cơng, hóa chất, hay bể chôn phế thải hạt nhân…
 Nhược điểm của bê tông UHPC
Theo các nghiên cứu trên thế giới nhược điểm lớn nhất của bê tơng UHPC là chi
phí đầu tư ban đầu cao. Đồng thời bê tơng UHPC cịn tương đối mới với ngành công
nghiệp xây dựng với các tiêu chuẩn thiết kế, tính tốn, tài liệu hướng dẫn sử dụng
chưa được thống nhất. Do vậy cho đến nay, ứng dụng về loại vật liệu này vẫn còn hạn
chế, chủ yếu là các dự án thử nghiệm. Việc thiết kế kết cấu sử dụng bê tông UHPC
vẫn chưa được tối ưu và hiệu quả, kết quả là các chi phí ban đầu vẫn cao hơn so với
bê tông thường. Các nhà sản xuất hi vọng rằng, khi bê tông UHPC được nghiên cứu
ứng dụng rộng rãi, trở nên phổ biến hơn trong thực tế, sẽ làm giảm chi phí sử dụng
khi tính tốn tổng thể có đến vịng đời và tuổi thọ cơng trình. Trong khi bê tơng
UHPC có cường độ nén, cường độ uốn và độ bền dẻo dai rất cao, cho phép giảm tối
đa kích thước của kết cấu, thì việc thiết kế kết cấu sử dụng bê tơng UHPC vẫn phải
đảm bảo các yêu cầu tối thiểu về chiều dày, kích thước của kết cấu để vẫn đảm bảo
được các yêu cầu về khả năng chống va đập, độ biến dạng... Điều đó sẽ khắc phục
được hạn chế về chi phí đầu tư ban đầu của bê tơng UHPC. Bên cạnh đó, một trong
những khó khăn khác khi sử dụng bê tông UHPC là yêu cầu rất cao về chất lượng vật
liệu đầu vào, do vậy loại bê tông này phù hợp hơn cho các kết cấu đúc sẵn được sản
xuất trong nhà máy hơn là dùng đổ trực tiếp tại công trường
Ứng dụng của vật liệu UHPC trong thực tế xây dựng hiện nay

1.3.2.

Cho đến hiện nay UHPC đã và đang bắt đầu được ứng dụng rộng rãi trong nhiều
lĩnh vực như: kiến trúc, xây dựng, cầu đường, cơng trình biển, an ninh quốc phịng...
cụ thể có thể thấy như:
Dùng cho lớp mặt: do có cường độ cao, khả năng chịu mài mịn lớn nên loại bê
tơng này được sử dụng để chế tạo các bunke chứa xi măng, đường ống dẫn nước chịu
xói mịn lớn, bề mặt đập tràn thuỷ điện, mặt cầu...
Dùng để sửa chữa các trụ cầu, các đập chắn sóng..., đồng thời có thể dùng để

thay thế các mặt sàn cầu cũ đã hƣ hỏng, làm mặt cầu lắp ghép kết hợp với dầm bê
tông dự ứng lực để đẩy nhanh tiến độ thi cơng
-

Dùng cho các cơng trình ngồi biển: dàn khoan, trụ của tua bin gió

-

Dùng để chế tạo các kết cấu đúc sẵn: dầm cầu, tấm sàn

19


Hình 1.14 Ứng dụng UHPC trong ngành cầu đường
1.3.1.

Một số nghiên cứu sử dụng bê tông UHPC để gia cường dầm BTCT
Các nghiên cứu sử dụng bê tông UHPC cho kết cấu dầm bê tông đã được
các nhà nghiên cứu quan tâm khá nhiều, đặc biệt có thể áp dụng cho những cơng trình
cao tầng, nhịp lớn, bê tơng UHPC sẽ phát huy được những ưu điểm chính như cường
độ chịu nén cao, độ bền lớn… Tuy nhiên đối với kết cấu cho cơng trình xây dựng
thơng thường chưa được áp dụng nhiều. Một trong những nguyên nhân chính là do
giá thành của loại bê tơng này cịn khá cao, khó sử dụng cho đại trà cơng trình xây
dựng. Một trong những hướng áp dụng mới được các nhà khoa học quan tâm là sử
dụng bê tông UHPC nhằm gia cường cho các cấu kiện dầm sàn.
Một số dạng sử dụng UHPC để gia cường cho cấu kiện chịu uốn được trình bày trong
Hình 1.15

a)

Sử dụng UHPC gia cường vùng nén

b)

Sử dụng UHPC gia cường vùng kéo

c)

Sử dụng UHPC gia cường kháng cắt

20


d)

Sử dụng UHPC cho gia cường kháng cắt và kháng uốn

Hình 1.15 Một số phương pháp sử dụng UHPC gia cường cấu kiện chịu uốn [68]
Các nghiên cứu đều chỉ ra rằng có 5 dạng phá hoại chính khi sử dụng UHPC cho gia
cường chịu uốn như sau:
- Phá hoại bê tông vùng nén
- Phá hoại cốt thép
- Tách lớp UHPC và lớp bê tông thường
- Phá hoại dẻo: bê tông vùng nén bị ép vỡ và cốt thép chảy dẻo
Mục tiêu hướng đến trong việc gia cường UHPC cho dầm bê tông cốt thép phá hoại ở
trạng thái dẻo, bê tông vùng nén bị ép vỡ và cốt thép chảy dẻo, khơng có hiện tượng
tách lớp giữa UHPC và bê tơng thường
Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu hướng đến sử dụng UHPC cho các cơng
trình bị hư hỏng bê tông vùng kéo do các tác động của tải trọng, các tác động do ăn
mòn… để thay thế vùng bê tơng chịu kéo

1.4

NHẬN XÉT CHƯƠNG 1

Một cơng trình xây dựng nói chung và cơng trình có kết cấu chịu lực bằng bê tơng cốt
thép nói riêng có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tuổi thọ của cơng trình. Các yếu tố
tác động như tải trọng, quá trình thi công, tác động bởi môi trường đều làm giảm tuổi
thọ của cơng trình. Hiện nay có khá nhiều phương pháp để gia cường sửa chữa cải tạo
làm tăng tuổi thọ của cơng trình, trong đó việc sử dụng vật liệu mới là bê tông UHPC
đang là một trong những hướng mới có nhiều tiềm năng, đặc biệt cho những nơi có
mơi trường xâm thực cao do tính bền vững, chống xâm thực của loại bê tơng này.
Nhóm nghiên cứu hướng tới sử dụng loại bê tông này để gia cường bê tông vùng kéo
cho kết cấu dầm chịu uốn. Một chương trình thí nghiệm được trình bày trong chương
2 nhằm đánh giá hiệu quả của việc gia cường này cho kết cấu chịu uốn.

21


CHƯƠNG 2

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HIỆU QUẢ
GIA CƯỜNG KHÁNG UỐN DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP
BẰNG BÊ TÔNG UHPC

Trong chương này trình bày các nội dung nghiên cứu thực nghiệm nhằm làm cơ sỏ
đánh giá giải pháp sử dụng bê tông UHPC để gia cường dầm BTCT chịu uốn. Các
nội dung chính gồm:
- Chế tạo mẫu thí nghiệm;
- Thực hiện thí nghiệm uốn bốn điểm dầm BTCT được gia cường vùng kéo bằng bê
tơng UHPC và dầm BTCT đối chứng

2.1

Mục đích thí nghiệm

- Xác định tải trọng giới hạn của dầm BTCT được gia cường vùng kéo bằng UHPC
và dầm đối chứng;
- Xác định sự phân bố vết nứt, dạng phá hoại của dầm BTCT được gia cường vùng
kéo bằng UHPC và dầm đối chứng;
- Đo đạc độ các giá trị độ võng, biến dạng bê tông vùng nén, biến dạng cốt thép
chịu kéo của các dầm thí nghiệm;
2.2
2.2.1.

Mẫu thí nghiệm và vật liệu chế tạo dầm
Mẫu thí nghiệm
Từ mục đích thí nghiệm trên, chế tạo 03 dầm BTCT D0, D1.1, D1.2 có kích

thước tiết diện ngang bxh=150x200mm, nhịp tính tốn L0=2000mm. Để khi thí
nghiệm dầm khơng bị trượt khỏi 2 gối tựa, và cốt thép vùng kéo không bị tụt khỏi bê
tông, hai đầu dầm được kê sâu vào gối tựa mỗi bên 100mm và cốt thép được neo vào
trong bê tơng, do đó lựa chọn dầm thí nghiệm có kích thước hình học
bxhxL=150x200x2200 mm.
Để khảo sát sự làm việc chịu uốn, tiến hành tạo ra vùng mô men không đổi
bằng việc sử dụng sơ đồ uốn 4 điểm với hai lực tập trung P cách gối tựa 750mm như
trên Hình 2.1. Các dầm BTCT được bố trí cốt thép giống nhau là 2D14 tại vùng kéo
và 2D10 tại vùng nén. Đồng thời để dầm BTCT không bị phá hoại do lực cắt nên cốt
đai 2 đầu dầm được tính tốn bố trí dày khoảng cách a100mm để đảm bảo dầm không
phá hoại do lực cắt.
22

Trong 03 dầm chế tạo dầm D1.1 và dầm D1.2 được gia cường vùng kéo bằng
vật liệu UHPC với chiều cao lớp UHPC là 5cm, dầm D0 là dầm BTCT đối chứng.
Chi tiết cấu tạo cốt thép các dầm thí nghiệm được trình bày trong Hình 2.1 và Hình
2.2

NC

uhpc

P

P

1

1

Hình 2.1 Chi tiết cấu tạo dầm D1.1 và D1.2
P

P

1

1

Hình 2.2 Chi tiết cấu tạo dầm đối chứng D0
Bảng 2.1. Thông số cấu tạo dầm
D1

STT

D0

Thông số cấu tạo dầm
D1.1

D1.2

1

Thép dọc đỉnh dầm

2 Ø 10

2

Thép dọc đáy dầm

2 Ø14

3

Hàm lượng cốt thép

1.02%

4

Số lượng dầm

02 dầm

5

Chiều cao gia cường
UHPC vùng kéo

5cm

23

01 dầm


Dầm D1.1 và dầm D1.2 là 2 dầm được gia cường vùng kéo bằng bê tông UHPC. Để
thuận tiện trong quá trình chế tạo, 2 dầm này được đổ 1 lớp bê tông UHPC bằng 5cm
trước, sau 3-5 ngày tiếp tục đổ lớp bê tông thường B22.5 chiều dày 15cm.
Một số hình ảnh q trình chế tạo ván khn, làm cốt thép và đổ bê tơng các mẫu
dầm thí nghiệm:

Hình 2.3 Gia cơng và buộc cốt thép dầm

Hình 2.4 Trộn bê tông thường và bê tông UHPC theo cấp phối

24


Hình 2.5 Chế tạo mẫu dầm thí nghiệm
2.2.2.

Vật liệu chế tạo dầm
 Bê tông UHPC
Bê tông UHPC sử dụng để gia cường vùng chịu kéo được lựa chọn có cấp độ bền
B100, cốt liệu là cát quắc có đường kính cỡ hạt trung bình khoảng 300m, siicafum
(SF),tro bay (FA), xi măng Pooc lăng PC 40, và phụ gia siêu dẻo gốc polycarboxylate
(PGSD) . Sợi thép được sử dụng có chiều dài 13mm, đường kính 0.2mm. Chi tiết cấp
phối chế tạo được trình bày trong Bảng 2.2
Bảng 2.2. Thành phần cấp phối vật liệu chế tạo bê tông UHPC (đơn vị kg/m3)
Cấp
phối

Cát

Xi măng

FA

SF

PGSD

Nước

Sợi

(kg)

(kg)

(kg)

(kg)

(kg)

(kg)

(%)

UHPC

1108

831

166

111

36,9

164

1

 Bê tông thường
Sử dụng bê tông cấp độ bền B22.5 độ sụt 10  2 cm. Cấp phối vật liệu chế tạo bê tơng
được trình bày trong Bảng 2.3. Trong đó sử dụng Xi măng PCB 30 Hồng Thạch; Đá
dăm 1x2 (mỏ đá Kiện Khê, Hà Nam) Cát vàng Sơng Lơ

Trên Bảng 2.3 trình bày cấp phối vật liệu chế tạo bê tông.

25