Luận văn Thạc sỹ: Nghiên cứu sự làm việc chịu uốn của dầm bê tông cốt sợ thủy tinh có hàm lượng cốt thấp bằng phương pháp thực nghiệm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG






NGUYỄN ĐỨC HOÀN





NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CHỊU UỐN
CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT SỢI THỦY TINH CÓ HÀM
LƯỢNG CỐT THẤP BẰNG PHƯƠNG PHÁP
THỰC NGHIỆM




LUẬN VĂN THẠC SỸ

Hà Nội - 2014

NGUY
ỄN ĐỨC HO
ÀN


*


LU
ẬN VĂN THẠC SỸ

*

Ngành
: K
Ỹ THUẬT XÂY DỰNG DD& CN
*

Năm
-
201
4

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG






NGUYỄN ĐỨC HOÀN



NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CHỊU UỐN
CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT SỢI THỦY TINH CÓ HÀM
LƯỢNG CỐT THẤP BẰNG PHƯƠNG PHÁP
THỰC NGHIỆM




LUẬN VĂN THẠC SỸ

NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP
Mã số: 60.58.02.08


CB HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN HÙNG PHONG

Hà Nội - 2014

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là Nguyễn Đức Hoàn
Sinh ngày: 28-09-1988
Nơi sinh: Long Xuyên – Kinh Môn- Hải Dương
Nơi công tác: Công ty TNHH tư vấn Đại học Xây Dựng
Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sỹ ngành kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng
và công nghiệp với đề tài : “Nghiên cứu sự làm việc chịu uốn của dầm bê tông cốt
sợi thủy tinh có hàm lượng cốt thấp bằng phương pháp thực nghiệm” là luận văn do
cá nhân tôi thực hiện. Các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực và
chưa từng công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tất cả các trích dẫn đã được
ghi rõ nguồn gốc.

Hà Nội, ngày 15 tháng 06 năm 2014
TÁC GIẢ LUẬN VĂN


Nguyễn Đức Hoàn

LỜI CÁM ƠN
Để hoàn thành chương trình cao học và luận văn thạc sỹ này, tôi đã nhận được
rất nhiều sự hướng dẫn, giúp đỡ, góp ý nhiệt tình của quý thầy cô trường Đại học
xây dựng. Trước hết tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trường Đại học xây

dựng, Ban giám hiệu, khoa đào tạo sau đại học, đặc biệt là những thầy cô đã tận tình
giảng dạy cho tôi trong suốt thời gian học tập tại trường.
Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến thầy giáo TS. Nguyễn Hùng Phong cùng
Th.s Phan Minh Tuấn đã dành nhiều thời gian và tâm huyết tận tình giúp đỡ tôi
nghiên cứu và hoàn thành luận văn thạc sỹ này.
Tôi xin cám ơn công ty NUCETECH đã cung cấp vật liệu thanh GFRP để tôi
hoàn thành luận văn này.
Đồng thời, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã luôn
giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi hoàn thành chương trình cao học và luận văn này.
Mặc dù tôi đã luôn cố gắng hoàn thành luận văn này, tuy nhiên không thể
tránh khỏi những thiếu xót, rất mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô và bạn bè.


Hà Nội, ngày 15 tháng 06 năm 2014
TÁC GIẢ LUẬN VĂN


Nguyễn Đức Hoàn

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
1. Lý do chọn đề tài: 1
2. Mục đích của đề tài: 1
3. Mục tiêu: 1
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 1
5. Phương pháp nghiên cứu: 2
6.Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài: 2
7. Kết quả đạt được: 2
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU CỐT SỢI THỦY TINH 3
1.1 Đặc trưng của vật liệu FRP: 3

1.1.1. Quy trình sản xuất 3
1.1.2. Tính chất vật lý: 5
1.1.3. Tính chất cơ học 6
1.1.4 Ứng xử phụ thuộc thời gian 10
1.1.5 Tác động của nhiệt độ cao và lửa cháy. 10
1.1.6. Ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng của cốt sợi thủy tinh. 11
1.2 Tình hình phát triển của vật liệu FRP trong lĩnh vực xây dựng 12
1.3 Phạm vi ứng dụng thanh FRP trong lĩnh vực xây dựng ở Việt Nam. 14
CHƯƠNG II: LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN DẦM BÊ TÔNG CỐT SỢI THỦY
TINH CHỊU UỐN 16
2.1. Các vấn đề chung 16
2.1.1. Các giai đoạn làm việc của dầm bê tông cốt thép chịu uốn 16
2.1.2. Các giai đoạn làm việc của dầm bê tông cốt sợi thủy tinh 18
2.2 Thiết kế dầm bê tông cốt FRP chịu uốn theo tiêu chuẩn Mỹ ACI-440 18
2.2.1 Các đặc trưng tính toán của vật liệu. 18
2.2.2 Các giả thiết tính toán. 20
2.2.3 Tính toán cấu kiện bê tông cốt FRP chịu uốn theo trạng thái giới hạn 1 20
2.2.4 Tính toán cấu kiện bê tông cốt FRP chịu uốn theo trạng thái giới hạn 2 24
2.3 Thiết kế chịu uốn theo tiêu chuẩn Canada CSA-S806-02: 30
2.3.1 Các giả thiết tính toán: 30
2.3.2 Hệ số giảm cường độ vật liệu: 30

2.3.3 Cách thức phá hủy: 31
2.4 Thiết kế chịu uốn theo tiêu chuẩn Nga. 37
2.4.1 Các giả thiết tính toán: 37
2.4.2 Các đặc trưng vật liệu: 37
2.4.3 Tính toán theo cường độ trên tiết diện thẳng góc: 39
CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM DẦM BÊ TÔNG CỐT SỢI
THỦY TINH CÓ HÀM LƯỢNG THẤP CHỊU UỐN 41
3.1 Mục tiêu của nghiên cứu 41

3.2 Mẫu thí nghiệm 41
3.3 Chuẩn bị thí nghiệm 43
3.3.1 Cốt GFRP 43
3.3.2 Cốp pha 43
3.3.3 Đổ bê tông và bảo dưỡng 45
3.3.4 Thiết bị đo 45
3.4 Thí nghiệm xác định đặc trưng cơ học của vật liệu 47
3.4.1 Thí nghiệm xác định đặc trưng cơ học của bê tông: 47
3.4.3 Thí nghiệm xác định đặc trưng cơ học của cốt FRP 51
3.5 Tính toán dự đoán khả năng chịu lực của các dầm 52
3.6 Sơ đồ thí nghiệm và bố trí dụng cụ đo 53
3.6.1 Sơ đồ thí nghiệm: 53
3.6.2 Sơ đồ bố trí thiết bị đo: 53
3.6.3 Thiết bị gia tải: 54
3.6.4 Quy trình thí nghiệm 54
3.6 Tính toán xử lý kết quả thí nghiệm 55
3.6.1 Tải trọng phá hoại, cơ chế phá hoại 55
3.6.2 Quan hệ Tải trọng– độ võng (P-δ) 56
3.6.3 Quan hệ Tải trọng– Ứng suất cốt GFRP 58
3.6.3 Quan hệ biến dạng cốt GFRP và biến dạng bê tông vùng nén 60
3.6.4 Sự phát triển vết nứt trên kế cấu thí nghiệm 61
3.6.5 Quan hệ tải trọng- biến dạng bê tông vùng nén. 65
KẾT LUẬN 66



CÁC KÍ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN VĂN
A
f

: diện tích cốt PCS, mm
2

A
f,min
: diện tích cốt PCS tối thiểu cần thiết để cấu kiện uốn không bị phá
hỏng khi bị nứt, mm
2

A
s

: diện tích cốt thép chịu kéo, mm
2

a : bề cao của khối ứng suất chữ nhật tương đương, mm
b : bề rộng của tiết diện chữ nhật, mm
C : khoảng cách bước hay kích thước lớp bảo vệ, mm
C
E
: hệ số giảm do môi trường đối với các loại sợi khác nhau và các điều
kiện phơi lộ khác nhau, được cho trong bảng 4.1
c : khoảng cách từ thớ nén tại biên đến trục trung hòa, mm
c
b
: khoảng cách từ thớ nén tại biên đến trục trung hòa trong điều kiện
suất biến dạng cân bằng, mm
d : khoảng cách từ thớ nén tại biên đến trọng tâm của cốt kéo, mm
d

b
: đường kính của thanh cốt, mm
d
c
: bề dày lớp bêtông bảo vệ đo từ thớ kéo ngoài cùng đến tâm của thanh
hay của vùng sợi gần nhất với thớ đó, mm
E
c

: môđun đàn hồi của bêtông, MPa
E
f


: môđun đàn hồi thiết kế hay được bảo đảm của PCS được xác định
bằng môđun trung bình của bộ mẫu thử (E
f
: E
f,ave
), .MPa
E
f,av
e

: môđun đàn hồi trung bình của PCS, MPa
E
s

: môđun đàn hồi của thép, MPa
f

c
′

: cường độ nén quy định của bêtông, MPa

: căn bậc 2 của cường độ nén quy định của bêtông, MPa
f
f

: ứng suất trong cốt PCS chịu kéo, MPa
f
fu

: cường độ kéo thiết kế của PCS có xét sự giảm do môi trường sử
dụng, MPa

: cường độ kéo được bảo đảm của thanh PCS, được xác định bằng
cường độ kéo trung bình của bộ mẫu thử, trừ đi ba lần độ lệch tiêu
chuẩn (f
u
* : f
u,ave
− 3σ), MPa
f
s

: ứng suất cho phép trong cốt thép, MPa
f
u,ave
: cường độ kéo trung bình của bộ mẫu thử, MPa

f
y
: ứng suất chảy quy định của cốt thép không ứng lực trước, MPa .
h

: bề cao toàn thể của cấu kiện uốn, mm
I

: mômen quán tính, mm
4

I
cr
: mômen quán tính của tiết diện đã biến đổi do nứt, mm
4

I
e

: mômen quán tính hữu hiệu, mm
4


I
g

: mômen quán tính nguyên, mm
4

k : tỉ số của bề cao trục trung hòa so với bề cao của cốt

k
b
: hệ số phụ thuộc độ dính kết

: chiều dài vượt nhịp của cấu kiện, m

: chiều dài triển khai, mm
M
a
: Mômen lớn nhất trong cấu kiện tại giai đoạn tính toán độ võng, N-
mm
M
cr


: mômen gây nứt, N-mm
M
n

: khả năng chịu uốn danh nghĩa, N-mm
M
u

: mômen có nhân hệ số tại tiết diện, N-mm
n
f


: tỉ số giữa môđun đàn hồi của thanh PCS so với môđun đàn hồi của
bêtông

s : khoảng cách đai hay bước của cốt xoắn liên tục, và khoảng cách
thanh PCS dọc, mm
V
c
: cường độ cắt danh nghĩa tạo bởi bêtông, N
V
n

: cường độ cắt danh nghĩa tại tiết diện, N
V
s

: sức chống cắt tạo bởi đai thép, N
V
u

: lực cắt có nhân hệ số tại tiết diện, N
w : bề rộng vết nứt lớn nhất, mm
α
1
: tỉ số giữa ứng suất trung bình của khối ứng suất chữ nhật tương
đương so với f
c
’
β : tỉ số giữa khoảng cách từ trục trung hòa đến thớ kéo tại biên so với
khoảng cách từ trục trung hòa đến tâm của cốt chịu kéo (Mục 5.3.1)
β
1
: hệ số lấy bằng 0,85 đối với cường độ bêtông f
c

’ tới 28 MPpa. Với
cường độ lớn hơn 28 MPa, hệ số này sẽ giảm liên tục với mức 0,05
cho mỗi giá trị 7 MPa vượt quá 28 MPa nhưng không lấy nhỏ hơn
0,65
β
d
: hệ số giảm dùng tính độ võng
∆
(cp +sh)


:
độ võng bổ sung do từ biến và co ngót dưới tải trọng dài hạn, mm
ε
c

: suất biến dạng (biến dạng tỉ đối) của bêtông
ε
cu

: suất biến dạng (biến dạng tỉ đối) cực hạn của bêtông
ε
f

: suất biến dạng đứt thiết kế của cốt PCS

: suất biến dạng đứt được bảo đảm của cốt PCS, xác định bằng suất
biến dạng trung bình lúc phá hủy của bộ các mẫu thử trừ đi 3 lần độ
lệch tiêu chuẩn (
ε

fu
*
:
ε
u,ave
− 3σ
), mm
ε
u,ave

: suất biến dạng kéo trung bình lúc phá hủy của bộ các mẫu thử

η


: tỉ số của khoảng cách từ thớ nén tại biên đến trọng tâm của cốt kéo
(d) so với bề cao toàn thể của cấu kiện uốn (h)
ρ
b

: tỉ số cốt thép tạo nên điều kiện suất biến dạng cân bằng
ρ
f
: tỉ số cốt PCS
ρ
min

: tỉ số cực tiểu đối với cốt thép
σ
: độ lệch tiêu chuẩn

φ

: hệ số giảm cường độ


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1:Khối lượng riêng điển hình của thanh FRP
Bảng 1.2:Hệ số giãn nở nhiệt điển hình của thanh FRP
Bảng 1.3:Tính chất chịu kéo thông dụng của thanh FRP
Bảng 1.4:Giá trị tối thiểu của cường độ chịu kéo được đảm bảo đối với các thanh
FRP thủy tinh và cácbon
Bảng 1.5:Các ưu điểm và bất lợi của cốt FRP
Bảng 2.1:Hệ số giảm do môi trường đối với các loại sợi và điều kiện phơi lộ khác
nhau
Bảng 2.2:Giá trị điển hình của tỉ số cốt cân bằng đối với tiết diện chữ nhật có
f’c=34.5 MPa
Bảng 2.3:Giá trị giới hạn bề rộng khe nứt
Bảng 2.4:Độ võng cho phép lớn nhất
Bảng 2.5:Chiều dày tối thiểu khuyến nghị để thiết kế
Bảng 2.6:Hệ số giảm cường độ vật liệu theo TC Canada
Bảng 2.7:Giá trị tiêu chuẩn nhỏ nhất về vật liệu FRP theo TC Nga
Bảng 2.8:Hệ số điều kiện sử dụng của kết cấu đặt cốt composit (Nga)
Bảng 2.9:Hệ số xét đến tác dụng dài hạn của tải trọng
Bảng 3.1:Bảng cấp phối vật liệu cho 1m3 bê tông
Bảng 3.2:Kết quả thí nghiệm bê tông
Bảng 3.3:Kết quả thí nghiệm cốt GFRP
Bảng 3.4:Bảng tổng hợp kết quả dự báo khả năng chịu uốn của các dầm
Bảng 3.5:Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm dầm
Bảng 3.6:Bảng tổng hợp bề rộng vết nứt trong dầm
Bảng 3.7:Bảng tổng hợp các chỉ tiêu tại thời điểm dầm đạt trạng thái giới hạn 2

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Sơ đồ quy trình sản xuất thanh FRP
Hình 1.2: Hình ảnh quy trình sản xuất thanh FRP tại nhà máy
Hình 1.3: Hình ảnh nhà xưởng sản xuất thanh FRP
Hình 1.4: Một số thanh GFRP có trên thị trường
Hình 1.5: Một số mẫu thử thanh GFRP
Hình 1.6: Bê tông cốt GFRP cho kết cấu mặt cầu
Hình 1.7: Bê tông cốt GFRP cho kết cấu mặt đường
Hình 1.8: Thanh GFRP cho kết cấu tường vây
Hình 1.9: Thanh GFRP cho kết cấu cọc khoan nhồi
Hình 1.10: Bê tông cốt GFRP dùng cho khu vực điện cao thế
Hình 1.11: Bê tông cốt GFRP dùng cho khu vực ven biển có độ ăn mòn cao
Hình 1.12: Sử dụng thanh GFRP tại công trình nhà cho chiến sĩ cảnh vệ thuộc khu
tưởng niêm Đại Tướng Võ Nguyên Giáp
Hình 1.13: Bể tự hoại dung tích 4m3 sử dụng bê tông chất lượng siêu cao với chiều
dày thành bể 3cm kết hợp với cốt GFRP

Hình 1.13: Sản xuất cừ bê tông chất lượng siêu cao kết hợp với thanh GFRP thay
thế cừ larsen thép.
Hình 2.1: Các giai đoạn của trạng thái ứng suất biến dạng trên tiết diện thẳng góc
Hình 2.2: Phân bố biến dạng và ứng suất tại các điều kiện cực hạn theo ACI
Hình 2.3: Phân bố biến dạng và ứng suất tại các điều kiện cực hạn theo CSA
Hình 2.4: Biều đồ xác định hệ số α
Hình 2.5: Biều đồ xác định hệ số β
Hình 2.6: Sơ đồ nội lực và biểu đồ ứng suất trên tiết diện thẳng góc của cấu kiện

chịu uốn đặt cốt composit khi tính toán theo cường độ
Hình 3.1: Sơ đồ thí nghiệm dầm BTCT chịu uốn
Hình 3.2: Công tác cốt thép và cốt GFRP
Hình 3.3: Cốp pha dầm thí nghiệm
Hình 3.4: Cốt GFRP và cốt thép chuẩn bị đổ bê tông
Hình 3.5: Dầm được đổ bê tông

Hình 3.6: Thiết bị đo chuyển vị
Hình 3.7: Strain gauges trong cốt thép và cốt GFRP
Hình 3.8: Strain gauges trong bê tông
Hình 3.9: Thiết bị đo bề rộng khe nứt
Hình 3.10: Mẫu thí nghiệm cường độ nén sau khi đổ bê tông
Hình 3.11: Thí nghiệm nén xác định cường độ bê tông
Hình 3.12: Biểu đồ quan hệ ứng suất biến dạng bê tông
Hình 3.13: Mẫu thí nghiệm cường độ kéo cốt GFRP
Hình 3.14: Sơ đồ thí nghiệm
Hình 3.15: Sơ đồ bố trí thiết bị đo
Hình 3.16: Sơ đồ thí nghiệm dầm
Hình 3.17: So sánh tải trọng phá hoại giữa dự đoán và thực nghiệm
Hình 3.18: Biểu đồ quan hệ tải trọng độ võng dầm DF1(3φ8)
Hình 3.19: Biểu đồ quan hệ tải trọng độ võng dầm DF1(2φ10)
Hình 3.20: Biểu đồ quan hệ tải trọng độ võng giữa 2 dầm DF1 và DF2
Hình 3.21: Biểu đồ quan hệ tải trọng ứng suất trong cốt.
Hình 3.22: Biểu đồ quan hệ biến dạng bê tông vùng nén- biến dạng cốt dầm DF1
Hình 3.23: Biểu đồ quan hệ biến dạng bê tông vùng nén- biến dạng cốt dầm DF2
Hình 3.24: Sự phát triển vết nứt dầm DF1(3φ8)
Hình 3.25: Sự phát triển vết nứt dầm DF2(2φ10)
Hình 3.26: Biểu đồ quan hệ tải trọng- bề rộng vết nứt
Hình 3.27: Biểu đồ quan hệ tải trọng- chiều cao vết nứt
Hình 3.28: Biểu đồ quan hệ tải trọng- biến dạng bê tông vùng nén

1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài:
Sợi thủy tinh là một vật liệu mới có nhiều đặc tính ưu việt như cường độ chịu kéo
lớn hơn thép nhiều lần, trọng lượng nhẹ lại không bị gỉ, ăn mòn. Việc ứng dụng sợi
thủy tinh thay thế cốt thép trong kết cấu bê tông đã được nhiều nước áp dụng trong
đó có Việt Nam. Sự làm việc của kết cấu có cốt FRP khác với sự làm việc của cốt
thép thông thường do FRP là vật liệu không đẳng hướng, không có sự chảy dẻo
nên cần có nghiên cứu thực nghiệm để kiểm tính lý thuyết tính toán.
2. Mục đích của đề tài:
Tìm hiểu những ưu điểm và tính chất cơ bản của cốt sợi thủy tinh và một số hạn
chế của nó và khả năng ứng dụng cốt sợi thủy tinh trong kết cấu xây dựng. Thông
qua nghiên cứu thực nghiệm mẫu dầm bê tông cốt sợi thủy tinh. Dựa vào các kết
quả thực nghiệm để đánh giá, so sánh với lý thuyết tính toán và rút ra kết luận khi
sử dụng bê tông cốt sợi thủy tinh trong thiết kế và xây dựng ở Việt Nam.
3. Mục tiêu:
- Xác định khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt GFRP bằng nghiên cứu thực
nghiệm; tìm hiểu quan hệ Tải trọng- Độ võng của dầm bê tông cốt GFRP với
hàm lượng cốt thấp.
- Tìm hiểu các cơ chế phá hoại của dầm bê tông cốt GFRP.
- Nhận xét sự làm việc, các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu lực, độ võng, bề
rộng vết nứt của dầm bê tông cốt GFRP.

- So sánh sự làm việc của dầm bê tông cốt GFRP và dầm BTCT.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Đối tượng của nghiên cứu là dầm bê tông cốt GFRP với hàm lượng cốt thấp (hàm
lượng cốt nhỏ hơn hàm lượng cốt cân bằng) và mẫu kéo thanh GFRP đúng tâm.
Phạm vi nghiên cứu các đặc trưng cơ học, khả năng chịu uốn của dầm bê tông
cốt GFRP theo trạng thái giới hạn thứ 1 và trạng thái giới hạn 2, cơ chế phá hoại
dầm bê tông cốt GFRP có hàm lượng cốt thấp.
2

5. Phương pháp nghiên cứu:
Thí nghiệm trên mẫu thử lăng trụ và mẫu dầm bằng vật liệu bê tông cốt sợi thủy
tinh. Kết hợp với so sánh công thức tính toán lý thuyết theo nghiên cứu của tiêu
chuẩn Hoa kỳ ACI.
6.Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài:
Cơ sở khoa học của đề tài là các nghiên cứu rộng rãi về lý thuyết và thực nghiệm
trong các tiêu chuẩn của các nước trên thế giới như Mỹ, Canada, Nhật bản…
Tuy nhiên, ở Việt Nam thì ứng dụng bê tông cốt sợi thủy tinh còn khá mới mẻ,
chưa nhiều người biết đến, chưa có tiêu chuẩn thiết kế và thi công. Các tài liệu để
thiết kế mới dừng ở các chỉ dẫn, quy trình tính toán dịch từ tiêu chuẩn nước ngoài. Đề
tài này là rất cần thiết để nghiên cứu, áp dụng bê tông cốt sợi thủy tinh rộng rãi hơn
trong lĩnh vực xây dựng trong điều kiện Việt Nam.
7. Kết quả đạt được:
Sau khi làm thí nghiệm trên các mẫu dầm thí nghiệm bằng bê tông cốt GFRP và bê
tông thường, đã đánh giá được những hiệu quả của dầm bê tông cốt GFRP như: tăng
khả năng chịu lực tới hạn của dầm. Tuy nhiên dầm có bề rộng khe nứt khá lớn, vết
nứt xuất hiện và phát triển rất nhanh lên phía trên của dầm. Độ cứng của dầm giảm
đột ngột khi dầm bị nứt dẫn đến hiện tượng tụt lực khi gia tải. Ngoài ra trong quá
trình thí nghiệm dầm GFRP có hàm lượng cốt thấp có hiện tượng trượt giữa thanh cốt
và bê tông. Vấn đề này cần nghiên cứu kỹ hơn ở những đề tài sau. Việc áp dụng công
thức tính toán theo Tiêu chuẩn ACI đối với dầm bê tông cốt GFRP là phù hợp

3

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU CỐT SỢI THỦY TINH
1.1 Đặc trưng của vật liệu FRP:
1.1.1. Quy trình sản xuất
Thanh Polyme cốt sợi (FRP) mà tiếng Anh là Fiber- reinforced polymer (FRP) là
sản phẩm dạng thanh tạo nên bởi một chất nhựa tổng hợp polyme bao bọc các sợi
thủy tinh hay sợi cacbon tạo nên cốt chịu lực cơ học cho thanh. Thanh FRP ra đời từ
hơn 30 năm, đã được sử dụng để làm cốt cho kết cấu bêtông như một thay thế cho
cốt thép. Thanh FRP được chế tạo từ nhựa polyme rắn nhiệt (thường là polyeste và
vinyleste) còn cốt sợi là sợi thủy tinh, cacbon, aramit. Cát trắng là nguồn vật liệu
chính chiếm 70% về khối lượng để sản xuất ra FRP. Cát được nung chảy thành thủy
tinh lỏng, chế tạo thành các sợi các bon có kích thước vô cùng nhỏ (Đường kính
khoảng 5-10 micromet). Các sợi này được nhúng qua keo polyme rồi bện, quấn lại
thành các thanh, hoặc tấm. Trong nghiên cứu này chỉ đề cập đến vật liệu FRP dạng
thanh. Các Thanh này được sấy khô, tạo ren thành các thanh có đường kính từ 8mm
đến 32 mm. (Chi tiết xem hình 1.1, 1.2, 1.3, 1.4)

Hình 1.1 Sơ đồ quy trình sản xuất thanh FRP

Sợi thủy tinh Thùng keo Quấn tạo ren
Keo epoxy
Tạo hình, sấy khô,
tạo ren
Đùn kéo
Sợi thô
4


Lò sấy Bể làm lạnh Máy cắt

Hình 1.2 Hình ảnh quy trình sản xuất thanh FRP tại nhà máy

Hình 1.3 Hình ảnh nhà xưởng sản xuất thanh FRP

Hình 1.4 Một số thanh FRP có trên thị trường.
5

Ngày nay thanh FRP thông dụng nhất là vinyleste và sợi thủy tinh. Chúng được
khuyến nghị dùng trong kết cấu bêtông chịu tải trọng. Các yếu tố quan trọng nhất
quyết định các đặc trưng của thanh FRP là loại sợi, loại keo, phương hướng của sợi,
hàm lượng của sợi, kích thước và việc chế tạo. Do đó với mỗi nhà sản xuất thanh
FRP có đặc tính vật liệu khác nhau nên cần xác nhận các thông số vật liệu đối với
từng nhà sản xuất.
1.1.2. Tính chất vật lý:
a. Khối lượng riêng.
Thanh FRP có khối lượng riêng từ 1,25 đến 2,1 g/cm
3
, tức là khoảng 1/6-1/4 của
thép (Xem Bảng 1.1). Trọng lượng nhỏ làm giảm chi phí vận chuyển và làm thao
tác bốc xếp trên công trường được dễ dàng.
Bảng 1.1 − Khối lượng riêng điển hình của thanh FRP (g/cm
3
)
Thép FRP thủy tinh FRP cacbon FRP aramit
7,90 1,25 đến 2,10 1,50 đến 1,60 1,25 đến 1,40

b. Hệ số giãn nở nhiệt.
Hệ số giãn nở nhiệt của thanh FRP biến đổi theo phương dọc và phương ngang,
tùy thuộc loại sợi, nhựa và tỉ phần thể tích sợi. Hệ số giãn nở nhiệt theo phương dọc
thì được quyết định bởi tính chất của các sợi trong khi hệ số theo phương ngang

quyết định bởi nhựa. Bảng 1.2 liệt kê các hệ số giãn nở nhiệt của thanh FRP điển
hình và của thép. Lưu ý là hệ số giãn nở nhiệt âm có nghĩa là vật liệu co lại khi tăng
nhiệt độ và giãn ra khi giảm nhiệt độ. Để tham khảo, bêtông có hệ số giãn nở nhiệt
biến đổi từ 7,2×10
−6
đến 10,8×10
−6

o
C và thường được giả thiết là đẳng hướng.
Bảng 1.2 − Hệ số giãn nở nhiệt điển hình của thanh FRP
Phương
Hệ số giãn nở nhiệt × 10
−6 o
C
Thép FRP thủy tinh FRP cacbon FRP aramit
Dọc, α
L

11,7 6,0 đến 10,0 –9,0 đến 0,0 –6 đến –2
Ngang, α
T

11,7 21,0 đến 23,0 74,0 đến 104,0

60,0 đến 80,0
6


1.1.3. Tính chất cơ học

a. Sự làm việc chịu kéo:
Khi chịu lực kéo, thanh FRP không thể hiện sự chảy dẻo trước khi đứt. Ứng xử
kéo của thanh FRP gồm một loại sợi là được đặc trưng bởi quan hệ ứng suất− biến
dạng đàn hồi tuyến tính cho đến khi phá hủy. Tính chất chịu kéo của một số loại
thanh FRP trên thị trường được tóm tắt trong Bảng 1.3.
Bảng 1.3 − Tính chất chịu kéo thông dụng của thanh FRP
Thép FRP thủy tinh FRP cacbon FRP aramit
Ứng suất chảy
danh nghĩa,
MPa
276 đến 517
không áp
dụng
không áp
dụng
không áp
dụng
Cường độ kéo,
MPa
483 đến 690

483 đến 1600

600 đến 3690

1720 đến 2540

Môđun đàn hồi,
×10
3

MPa

200,0

35,0 đến 51,0

120,0 đến 580,0


41,0 đến 125,0

Suất biến dạng
chảy, %
0,14 đến 0,25

không áp
dụng
không áp
dụng
không áp
dụng
Suất biến dạng
kéo đứt, %
6,0 đến 12,0

1,2 đến 3,1 0,5 đến 1,7 1,9 đến 4,4
Cường độ kéo và độ cứng kéo của thanh FRP phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Do vì
các sợi của thanh FRP là thành phần chịu tải chính nên tỉ số của thể tích sợi trên thể
tích toàn bộ của FRP (gọi là tỉ phần thể tích sợi) có ảnh hưởng lớn đến tính chất
chịu kéo của thanh FRP. Cường độ kéo và độ cứng kéo sẽ biến động trong các

thanh có tỉ phần thể tích sợi khác nhau, ngay dù thanh có cùng đường kính, cùng
hình dạng và cùng thành phần. Tốc độ lưu hóa, quá trình chế tạo và việc kiểm tra
chất lượng chế tạo cũng ảnh hưởng đến đặc trưng cơ học của thanh.
Khác với thép, cường độ kéo đơn vị của thanh FRP có thể biến đổi theo đường
kính. Ví dụ thanh FRP thủy tinh có thể giảm cường độ kéo tới 40% khi đường kính
thanh tăng theo tỉ lệ từ 9,5 đến 22 mm. Nhưng đối với thanh FRP cacbon bện xoắn
thì sự thay đổi tiết diện như vậy hình như không ảnh hưởng đến cường độ của sợi.
Còn đối với thanh FRP aramit đùn kéo đơn phương, có thêm các sợi aramit quấn
7

bọc bề mặt thì cường độ kéo giảm 7% khi đường kính tăng từ 3 đến 8 mm. Phải liên
hệ với nhà sản xuất để có giá trị cường độ riêng cho từng loại thanh FRP.
Việc xác định cường độ của thanh FRP bằng thử nghiệm là khá phức tạp do sự
tập trung ứng suất tại các điểm neo có thể đưa đến phá hủy sớm. Bàn kẹp mẫu thử
đúng đắn sẽ khiến mẫu thử đứt ở giữa.

Hình 1.5 Một số mẫu thử thanh FRP
Các tính chất chịu kéo của một thanh FRP riêng lẻ có thể lấy từ nhà sản xuất.
Thông thường, người ta giả thiết một sự phân phối dạng Gauss cho cường độ của
tập hợp mẫu thử. Nhà chế tạo phải thông báo một cường độ kéo được bảo đảm, xác
định bằng cường độ kéo trung bình của bộ mẫu, trừ đi 3 lần độ lệch tiêu chuẩn (f
u
*
= f
u,ave
− 3σ) và cũng thông báo suất biến dạng đứt được bảo đảm ε
u
* (ε
u
* = ε

u,ave
−
3σ) và môđun đàn hồi quy định E
f
(E
f
= E
f,ave
. ). Các giá trị được bảo đảm này cho
một xác suất 99,87% trường hợp các giá trị đã cho sẽ bị vượt quá bởi các thanh
FRP tương tự, với điều kiện là phải thử ít nhất 25 mẫu. Trong mọi trường hợp, nhà
8

sản xuất phải mô tả phương pháp đã dùng để có được các tính chất kéo đã thông
báo. [1, tr 12]
Bảng 1.4 − Giá trị tối thiểu của cường độ kéo được bảo đảm đối với
các thanh FRP thủy tinh và cacbon
Cỡ
thanh
Φ
(mm)
Cường độ kéo được bảo đảm tối thiểu
FRP thủy tinh, ksi (MPa) FRP cacbon, ksi (MPa)
2 6.3 110 (759) 210 (1449)
3 9.5 110 (759) 190 (1311)
4 12.7 100 (690) 170 (1173)
5 15.9 95 (655) 160 (1104)
6 19 90 (621) 160 (1104)
7 22.2 85 (586) Không áp dụng
8 25.4 80 (552) Không áp dụng

9 28.6 75 (517) Không áp dụng
10 32.2 70 (483) Không áp dụng
b. Sự làm việc chịu nén:
Mặc dù được khuyến nghị là không để thanh FRP chịu ứng suất nén, dưới đây
vẫn sẽ giới thiệu đầy đủ đặc trưng làm việc của thanh FRP.
Các thử nghiệm trên thanh FRP có tỉ lệ chiều dài trên đường kính là từ 1:1 đến
2:1 cho thấy cường độ nén thấp hơn cường độ kéo. Cách phá hủy của thanh FRP
chịu nén dọc có thể kèm theo sự phá hủy do kéo ngang, do sự oằn vi lượng của các
sợi và phá hủy do cắt. Cách phá hủy tùy thuộc loại sợi, tỉ phần thể tích và loại nhựa.
Các thanh FRP thủy tinh, FRP cacbon và FRP aramit có cường độ nén giảm so với
cường độ kéo lần lượt là 55, 78 và 20%. Nói chung, cường độ nén càng lớn khi
thanh có cường độ kéo càng lớn, ngoại trừ trường hợp thanh FRP aramit thì các sợi
ứng xử phi tuyến khi nén tại mức ứng suất tương đối thấp.
Môđun đàn hồi nén của thanh FRP nhỏ hơn môđun đàn hồi kéo. Kết quả thử
nghiệm trên mẫu chứa 55 đến 60% tỉ phần thể tích của sợi thủy tinh E trong nền
nhựa vinyleste hay polyeste cho thấy môđun đàn hồi nén là từ 35 đến 48 GPa. Cũng
theo các báo cáo, môđun đàn hồi nén so với môđun đàn hồi kéo của cùng loại sản
phẩm là vào khoảng 80% đối với FRP thủy tinh, 85% đối với FRP cacbon và 100%
9

đối với FRP aramit. Gíá trị môđun đàn hồi nén có thấp hơn đôi chút có thể là do sự
phá hủy sớm khi thử gây bởi sự cọ sát ở hai đầu và sự oằn vi lượng ở các sợi bên
trong.khi chịu lực nén.
Hiện tại chưa định ra phương pháp thử tiêu chuẩn để xét đặc trưng ứng xử nén
của thanh FRP. Nếu cần biết các tính chất chịu nén của một thanh FRP riêng biệt
nào đó thì phải lấy từ nhà sản xuất. Nhà sản xuất cần mô tả phương pháp thử đã
dùng để nhận được các tính chất nén đã thông báo.
c. Sự làm việc chịu cắt
Phần lớn composit của thanh FRP là tương đối yếu đối với sự cắt các lớp đan xen
vì các lớp nhựa không có cốt là nằm giữa các lớp sợi. Vì thông thường không có cốt

đi qua các lớp nên cường độ cắt lớp đan xen được quyết định bởi chất nền gắn
polyme tương đối yếu. Nếu hướng các sợi theo phương lệch khỏi trục để đi ngang
qua các lớp sợi thì sẽ tăng sức kháng cắt, tùy theo độ lệch trục. Đối với thanh FRP,
việc này có thể thực hiện bằng cách bện hay quấn các sợi theo phương ngang với
sợi chính. Các sợi lệch trục cũng có thể được thêm vào trong quá trình đùn kéo bằng
cách đưa một tấm sợi đan nhỏ vào giá ống sợi thô. Hiện tại chưa định ra phương
pháp thử tiêu chuẩn để xét đặc trưng ứng xử.cắt của thanh FRP. Nếu cần biết các
tính chất chịu cắt của một thanh FRP riêng biệt nào đó thì phải lấy từ nhà sản xuất.
Nhà sản xuất cần mô tả phương pháp thử đã dùng để nhận được các tính chất cắt đã
thông báo.
d. Sự làm việc về dính kết
Chỉ tiêu dính kết của một thanh FRP phụ thuộc hình dạng của nó, quá trình chế
tạo, tính chất cơ học của bản thân thanh và các điều kiện môi trường. Khi neo một
thanh cốt vào trong bêtông, lực dính có thể truyền bởi :
- Sức kháng dính của mặt phân cách, cũng được gọi là sự dính kết hóa học,
- Sức kháng do ma sát ở mặt phân cách chống lại sự trượt, và
- Sự kẹt cơ học do mặt phân cách gồ ghề.
Trong thanh FRP đã có giả định là lực dính được truyền qua nhựa đến sợi cốt và
cũng có thể có sự phá hủy dính-cắt trong nhựa. Khi một thanh cốt có gân dính với
bêtông chịu lực kéo tăng dần, sự dính giữa thanh và bêtông chung quanh bị giảm đi
10

đồng thời các gân trên bề mặt thanh gây nên lực tiếp xúc nghiêng giữa thanh và
bêtông bao quanh. Ứng suất tại bề mặt thanh tạo bởi thành phần lực theo phương
của thanh thì có thể được coi như là ứng suất dính giữa thanh và bêtông.
Đã có rất nhiều nghiên cứu về tính chất dính của thanh FRP như thử nghiệm kéo
tuột, thử nghiệm mối nối và dầm công xôn, xác định chiều dài chôn bằng công thức
kinh nghiệm, v.v.
1.1.4 Ứng xử phụ thuộc thời gian
Thanh FRP chịu tải trọng không đổi quá lâu có thể bị phá hỏng sau một khoảng

thời gian, được gọi là thời gian giới hạn chịu đựng. Hiện tượng này được gọi là phá
hủy do từ biến (hay sự mỏi tĩnh). Phá hủy do từ biến không phải là một vấn đề đối
với thanh thép trong bêtông cốt thép trừ phi ở nhiệt độ rất cao như trong đám cháy.
Khi tỉ số giữa ứng suất kéo dài hạn so với cường độ ngắn hạn của thanh FRP tăng
lên thì thời gian giới hạn chịu đựng giảm đi.Thời gian giới hạn chịu đựng của phá
hủy từ biến cũng sẽ giảm không hồi phục trong điều kiện môi trường bất lợi như
nhiệt độ cao, phơi lộ trước bức xạ cực tím, độ kiềm cao, nhiều chu kì khô và ướt.
Do thiếu nhiều dữ liệu về vấn đề này, do chưa có các phương pháp tiêu chuẩn để
thử nghiệm nên việc thiết kế hiện nay đều áp dụng các tiêu chí thiết kế thiên về an
toàn.
Nói chung, sợi cacbon ít bị ảnh hưởng với phá hủy từ biến, sợi aramit thì nhạy
cảm vừa phải còn sợi thủy tinh là nhạy cảm nhất. Một số thí nghiệm cho thấy có
mối quan hệ tuyến tính giữa cường độ phá hủy từ biến với lôgarit của thời gian, khi
thời gian lâu tới 100 giờ. Tỉ số của mức ứng suất lúc phá hủy từ biến so với cường
độ ban đầu của các thanh FRP thủy tinh, FRP aramit và FRP cacbon sau 500 000
giờ (trên 50 năm) được ngoại suy tuyến tính lần lượt là 0,29, 0,47 và 0,93.[1, tr
15,16]
1.1.5 Tác động của nhiệt độ cao và lửa cháy.
Không nên dùng cốt FRP trong kết cấu mà sự toàn vẹn của kết cấu là chủ yếu do
khả năng chống cháy. Cốt FRP được chôn bêtông thì không cháy vì thiếu ôxy
nhưng polyme thì sẽ bị mềm do quá nóng. Nhiệt độ mà polyme bị mềm được gọi là
nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh T
g
. Vượt quá T
g
, môđun đàn hồi của polyme bị giảm
11

đáng kể do có thay đổi trong cấu trúc phân tử của nó. Giá trị T
g

phụ thuộc loại nhựa
nhưng thường ở trong khoảng 65 đến 120
o
C.
1.1.6. Ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng của cốt sợi thủy tinh.
Bảng 1.5 − Các ưu điểm và bất lợi của cốt FRP
Ưu điểm của cốt FRP Bất lợi của cốt FRP
Cường độ kéo theo phương dọc là lớn
(thay đổi tùy theo dấu và phương của tải
trọng so với các sợi)
Không có chảy trước khi phá hủy dòn
Sức kháng chịu ăn mòn (không phụ
thuộc lớp phủ)
Cường độ theo phương ngang là thấp
(thay đổi tùy theo dấu và phương của tải
trọng so với các sợi)
Không có từ tính Môđun đàn hồi thấp (thay đổi tùy theo
loại sợi làm cốt)
Độ bền chịu mỏi cao (thay đổi tùy theo
loại sợi làm cốt)
Dễ bị hư hại trong nhựa polyme và các
sợi khi bị phơi lộ trong bức xạ cực tím
Trọng lượng nhẹ (khoảng 1/5 đến ¼
khối lượng riêng của thép)
Sợi thủy tinh kém bền trong môi trường
ẩm ướt
Độ dẫn nhiệt và dẫn điện thấp (đối với
sợi thủy tinh và aramit)
Một số loại sợi thủy tinh và aramit kém
bền trong môi trường kiềm

Hệ số giãn nở nhiệt theo phương vuông
góc với các sợi là cao so với bêtông
Có thể bị cháy tùy theo loại chất nền gắn
và bề dày lớp bêtông bảo vệ
12

1.2 Tình hình phát triển của vật liệu FRP trong lĩnh vực xây dựng
Với những đặc tính ưu việt như trọng lượng nhẹ, khả năng chịu ăn mòn cao,
không có từ tính, độ dẫn điện dẫn nhiệt thấp và đặc biệt là có cường độ kéo lớn
thanh FRP ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng.

Hình 1.6 Bê tông cốt FRP cho kết cấu mặt cầu

Hình 1.7 Bê tông cốt FRP cho kết cấu mặt đường

Hình 1.8 Thanh FRP cho kết cấu tường vây
13


Hình 1.9 Thanh FRP cho kết cấu cọc khoan nhồi

Hình 1.10 Bê tông cốt FRP dùng khu vực điện cao thế

Hình 1.11 Bê tông cốt FRP dùng khu vực ven biển có độ ăn mòn cao