Báo cáo khoa học: "tấm polyme sợi các bon (PCSC) và ứng dụng" pps

tấm polyme sợi các bon (PCSC) v ứng dụng


pgs. Ts phạm duy hữu
Bộ môn Vật liệu xây dựng - ĐH GTVT
Tóm tắt: Bi viết trình by về hiệu quả gia cờng v thiết kế gia cờng kết cấu BTCT
đợc gia cờng bằng hệ Polime sợi các bon v ứng dụng.
Summary: Efficient Srtengthening an Design Aspects of concrete Structure Strengthened
with Externaly Bonded Polime Carbondur (PCSC) and application.
1. Tổng quát về Polime sợi các bon
tăng cờng kết cấu BTCT
Các kết cấu cầu, cảng, hầm BTCT sau
thời gian khai thác có thể bị h hỏng hoặc
không phù hợp với yêu cầu sử dụng về khả
năng chịu lực, về quy mô. Khi đó cần sửa
chữa, nâng cấp và cải tạo lại cho phù hợp.
Những công trình suy giảm khả năng chịu
lực cần sử dụng các giải pháp về kết cấu: dự
ứng lực ngoài, tăng cờng cốt thép, tăng
cờng bằng hệ Polime - bản thép. Các giải
pháp này đâ đợc sử dụng rộng rãi ở Việt
Nam và có hiệu quả.
Tuy nhiên các giải pháp trên thờng yêu
cầu thời gian thi công kéo dài và vấn đề quan
trọng nhất là phải bảo vệ các vật liệu thép mới
gia cờng sẽ rất khó khăn.
Hiện nay trên thế giới đang sử dụng giải
pháp gia cờng kết cấu BTCT bằng hệ Polime
sợi các bon (PCSC) có hiệu quả.
Tấm mỏng Polime cốt sợi các bon ngày
càng thay thế tấm mỏng để gia cờng cho kết

cấu bê tông. Theo phép phân tích kết cấu bê
tông,kiểu dàn, mép của tấm PCSC phải đợc
neo vào khu vực chịu nén của bê tông theo
hớng của các lực kéo. Tấm gia cờng bằng
PCSC có thể bị phá vỡ do sự phá vỡ của đô
bám dích dọc cùng với sự rạn nứt của bê tông.
Kiểm tra về độ dính bám đã chỉ ra rằng mô
hình trớc đây về độ dính của thép với bê tông
có thể thích ứng đợc cho tấm PCSC.
Trong 10 năm qua việc nghiên cứu và
ứng dụng vật liệu Polime sợi các bon để gia
cờng kết cấu BTCT đã đợc triển khai ở
Châu Âu, Mỹ, Nhật và Châu á. Vào năm 2001
đã đợc nghiên cứu tại Việt Nam do nhóm
nghiên cứu của trờng Đại học Giao thông
vận tải thực hiện.
Việc gia cờng các kết cấu bê tông bằng
cách dán tấm thép tại mặt ngoài là một công
nghệ đã đợc áp dụng ở Việt Nam. Bất lợi của
công nghệ là nguy cơ tấm thép có thể bị ăn
mòn tại vùng tiếp giáp và trọng lợng các tấm
thép còn nặng khi thi công khó ép chặt tấm
thép vào mặt bê tông. Các tấm PCSC mỏng,
nhẹ và cờng độ cao có u thế hơn tấm thép.
Tấm PCSC có tính chất hợp lý về độ bền lâu,
mỏi và ăn mòn.
Về nguyên tắc đảm bảo độ bám dính cần
thiết giữa bê tông và tấm gia cờng sợi các
bon đợc thông qua các mối tiếp giáp bằng
epoxy là yêu cầu bắt buộc đối với kết cấu

đợc gia cờng. Để thiết kế, cần phải biết lực
bám dính tối đa và kiểm rạn nứt. Ngoài các
kiểu rạn nứt nh đã quan sát thấy đối với tấm
thép, tấm PCSC có thêm kiểu rạn nứt khác,
mô hình về cờng độ dính bám giữa bê tông
với PCSC đã đợc xác định [1].

Các kiểm tra gần đây do EMPA (Viện
kiểm định và nghiên cứu vật liệu Liên bang
Thụy Sỹ) tiến hành đã đa ra kết quả về khả
năng gia cờng kết cấu và tăng cờng chống
trợt bằng tấm Polime cốt sợi các bon hình
chữ L [2].
2. Tấm Polime sợi các bon (PCSC)
2.1. Tấm PCSC
Tấm PCSC đợc chế tạo theo phơng
pháp keo tẩm. Theo phơng pháp này sợi các
bon đợc chạy qua bể keo êpoxy và qua các
lò hấp để làm cứng.
Cấu trúc PCSC gồm 2 phần: cấu trúc
nền và cấu trúc sợi.
- Nền là êpoxy - Sợi là sợi các bon.
- Sợi các bon có E = 240 - 900 MPa.
- Cờng độ kéo khoảng 3000 - 4000 MPa
khi kéo dọc sợi.
Các sợi các bon đợc đặt chủ yếu theo
chiều dọc trên nền êpoxy, các sợi ngang ít
hơn tạo thành thảm dệt ô vuông. Các sợi các
bon này tạo ra sức kéo của tấm PCSC theo
chiều dọc rất tốt còn cờng độ kéo ngang của

tấm PCSC rất yếu.
Tấm PCSC có độ dày 1,2 - 1,4, chiều
rộng 50 - 120 mm. Chứa 60 - 70 % (theo thể
tích) sợi các bon với đờng kính khoảng
1/5000 mm đợc dải theo hớng nhất định
trong thảm êpoxy. Số lợng sợi các bon từ
1,3 - 2 triệu sợi trong 1 tấm, chiều dài cuộn
PCSC từ 250 500 m.

Tấm PCSC có mô đun đàn hồi 150 230
MPa, quan hệ giữa ứng suất và biến dạng là
tuyến tính đàn hồi cho đến khi bị phá huỷ.
Trong khi thiết kế mặc dù vai trò của cờng độ
nền êpoxy đối với cờng độ tấm là không
đáng kể nhng cờng độ kéo khoảng 60 - 90
MPa, cao hơn rất nhiều so với cờng độ bê
tông, đảm bảo để chuyển tải các ứng suất
bám dính. Nền êpoxy phải có độ biến dạng
cực đại cao để đảm bảo sức chịu tải của sợi
đối với toàn bộ ứng suất có thể có trong tấm.
Đặc tính của PCSC xem ở bảng1.
Bảng 1
Đặc tính của tấm Polime sợi cacbon
S M H
Loại
Carbo
Dur S
Carbo
Dur M
Carbo

Dur H
Môđun đàn hồi,
N/mm
2
165.000 210.000 300.000
Cờng độ kéo,
N/mm
2
2.800 2.400 1.300
Độ biến dạng tại
cờng độ kéo, %
1,7 1,2 0,45
Giá thành, đ/m dài 325.000 620.000 420.000
2.2. Keo dính kết
Phần lớn keo dính là êpoxy hai thành
phần trộn với cốt liệu, cờng độ kéo lớn hơn
30 MPa vợt hơn bê tông gấp 10 lần. Chất kết
dính này có độ co ngót và biến dạng mỏi thấp,
sức đề kháng hoá học tốt và chịu đợc nhiệt
độ cao. Chất kết dính êpoxy với các tính năng
trên thích hợp cho việc gắn kết tấm PCSC với
mặt ngoài bê tông nhờ lực dính vật lý.
Lực dính vật lý đợc tạo ra bởi sức hút
phân tử giữa keo và vật liệu bê tông. Cờng
độ của các lực này phụ thuộc vào độ sạch và
nhám của bề mặt bê tông. Bề mặt bê tông
đợc làm sạch lại bằng nớc nóng và axêtôn.
Bằng cách làm nhám bề mặt có thể đạt đợc
các chốt dính cơ học giữa chất keo và vật gắn
kết.

Hiện nay thông thờng sử dụng keo
êpoxy hai thành phần (Sikadur 30 33) và
rắn chắc tốt ở vùng không nắng, nhiệt độ từ
25 30
o
C. Qua nghiên cứu cho thấy ở Việt
Nam nhiệt độ từ 15
o
C đến 35
o
C là nhiệt độ lý
tởng cho việc thi công [3].

3. Nghiên cứu thực nghiệm kết cấu
BTCT gia cờng cờng bằng
Polime sợi các bon (PCSC)
3.1. Mục đích nghiên cứu thực nghiệm
Mục đích nghiên cứu thực nghiệm là để
quan sát dạng phá hoại kết cấu đã gia cờng
sợi các bon, chiều dài của tấm Polime sợi các
bon, khả năng chịu lực của kết cấu đợc xét
thông qua hệ số tăng cờng:
0
g
B
P
P
K =
,
trong đó:

P
g
lực gây mô men có tăng cờng bằng
PCSC;
P
o
lực gây mô men ở mẫu không gia
cờng.
Hệ số tăng cờng về độ võng:
0
g
v
f
f
K =
,
trong đó: f
g
, f
o
- độ võng ở trạng thái 0 và trạng
thái có tăng cờng.
Hệ số tăng cơng về ứng suất:
0
g
K


=

,
trong đó:

g
- ứng suất của mẫu có gia cờng;

o
- ứng suất của mẫu không gia cờng.
3.2. Thực nghiệm
Mẫu thử là dầm BTCT với bê tông M30
tuổi 28 ngày với kích thớc mẫu 10x10x60 cm
(mẫu chuẩn theo TCVN và Quốc tế). Mộu có
cốt thép 4
10 và cốt thép đai 6 với a = 10
cm.
Xi măng Hoàng Thạch PC40 cốtl iệu đã
kiểm tra phù hợp với tiêu chuẩn TCVN.
Tấm Polime sợi các bon: loại M; b = 6
cm; h = 1,4 mm (M614).
Keo liên kết: Sikadur30
Tấm Polime đợc dán với chiều dài tấm
Polime sợi các bon là 25; 40; 51 cm.
Tốc độ đặt tải từ 0 100 KN và thay 10
KN 1 đợt. Sau khi thí nghiệm trên 40 mẫu thử
tại phòng thí nghiệm Vật liệu Xây dựng - Đại
học GTVT Việt Nam.
Căn cứ vào quan hệ giữa tải trọng và độ
võng, quan hệ giữa tải trọng và biến dạng với
chiều dài lớp PCSC, có thể xác định các hệ số
K

b
,K
v
,K


theo kết quả ghi ở bảng sau:
Bảng 2
Hệ số tăng cờng kết cấu
Hệ số
Mẫu số Đã tính mẫu
K
b
K
v
K

0
1
2
3
Không dán
L
d
= 250
L
d
= 400
L
d

= 510
1
1,1
1,4
1,6
1
0,88
0,66
0,625
-
1
1,2
1,33
Nh vậy khi chiều dài của tấm PCSC
tăng thì hệ số tăng cờng đạt tối đa 1,6 về lực
và 1,33 về ứng suất và biến dạng.
Về trị số ứng suất khi lớp dới của bê
tông đã xuất hiện ứng suất kéo max

K
max
= 50
daN/cm
2
thì ứng suất đo đợc trong bản
PCSC chỉ đạt tối đa khoảng 80 MPa, tức là chỉ
đạt khoảng 5 7% ứng suất kéo tối đa của
PCSC.
Các dạng phá hoại mẫu thử thờng tập
trung ở ba hiện tợng sau:

* Vết nứt: Vết nứt xuất hiện thờng ở
phạm vi ngoài vùng tăng cờng tấm Polime
sợi các bon. Sau đó phát triển thẳng lên và có
xu hớng làm bật lớp bê tông ở phía dới tấm
Polime sợi các bon.

* Bê tông ở vùng chịu nén dới điểm đặt
tải thờng bị phá hoại sau khi xuất hiện vết
nứt ở vùng kéo, tấm Polime sợi các bon không
bị bong ra.
* Trạng thái phá hoại cuối cùng là dầm bị
phá hoại theo mặt nghiêng ở vị trí gối kê hoặc
ở ngoài vùng có dán tấm Polime cốt sợi. Điều
này chứng tỏ việc gia cờng là có hiệu quả
đến dạng phá hoại.
4. Nhận xét về kết quả thực nghiệm
v kiến nghị về thiết kế kết cấu
Qua nghiên cứu thực nghiệm cho thấy
rằng:
* Hệ số K
b
nên chọn từ 1,3 1,4 để đảm
bảo có thể tăng cờng khả năng chịu kéo mà
phần chịu nén chính bị phá hoại.
* Tấm bản Polime sợi các bon có độ dính
bám cao với bê tông và làm việc chung với bê
tông tốt.
* Do hiện tợng phá hoại bật lớp bê tông
ở dới tấm PCSC nên các kết cấu đặc biệt để
chống việc này vẫn còn cần nghiên cứu tiếp

tục.
*
ứng suất ở trong bê tông vùng nén và
vùng kéo (giả định) phù hợp với ứng suất đo
đợc trong bê tông.
Vì lớp Polime sợi các bon có cờng độ
quá cao, nên ứng suất sử dụng trong tấm
thờng là thấp, R = 70 80 MPa chiếm 3,5%o
5%o so với ứng suất phá hoại của tấm
Polime. Trong các thiết kế kết cấu theo chiều
ngang nên bố trí các tấm có khoảng cách nhất
định: khoảng cách này ít nhất là 2b (b bề
rộng của tấm) và thông thờng có thể đến 15
20 cm để khai thác hết khả năng chịu lực
của tấm Polime sợi các bon và đảm bảo tính
kinh tế cho giải pháp gia cờng.
Theo chiều dài kết cấu các tấm: tăng
cờng nên bố trí theo chiều dài của kết cấu vì
nếu không các vết nứt có thể thay đổi vị trí ra
ngoài phần đã gia cờng. Trong trờng hợp là
kết cấu dầm khoảng 40 50 cm nên bố trí
một nẹp để tăng cờng khả năng dính bám
của tấm PCSC với dầm bê tông. Còn với kết
cấu bản thì không cần bố trí.
5. Kết luận
Từ nghiên cứu thực nghiệm cho thấy
rằng:
* Hệ số tăng cờng có thể đạt từ 1,3 - 1,5.
* Các khu vực phá hoại nằm ở ngoài
phạm vi gia cờng bằng tấm Polime sợi các

bon.
* Về phơng diện thiết kế có thể áp dụng
các giả thiết và phơng pháp tính của kết cấu
bê tông. Vì cờng độ của tấm Polime sợi các
bon rất cao nên bố trí thành các dải cách
nhau ít nhất là 2b để giảm giá thành gia
cờng.
* Có thể sử dụng Polime sợi các bon gia
cờng bản và dầm BTCT.

Tài liệu tham khảo
[1] Phạm Duy Hữu. ứng dụng Polime sợi các bon
sửa chữa cầu. Báo cáo đề tài NCKH 2001 Bộ
Giáo dục và Đào tạo.
[2] Các nghiên cứu và phát triển mới nhất về gia
cờng kết cấu bằng công nghệ gắn kết tấm
Polime sợi các bon (PCSC) (The latesr R and D
in Structural Strengthening with Bonded CFRP
Plates).
[3] Phơng diện thiết kế kết cấu bê tông đợc gia
cờng mặt ngoài bằng tấm Polime sợi các bon
(tấm PCSC) (Design Aspects of Concrete
Struture Strengthened with Externally Bonded
CFRP Plates) Ă