Nghiên cứu ứng dụng vật liệu tổng hợp trong sửa chữa, nâng cấp cống dưới đập các hồ chứa quy mô vừa và nhỏ khu vực miền núi phía Bắc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI




PHẠM THỊ THU THỦY



NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VẬT LIỆU TỔNG HỢP TRONG SỬA
CHỮA, NÂNG CẤP CỐNG DƯỚI ĐẬP CÁC HỒ CHỨA QUY MÔ VỪA
VÀ NHỎ KHU VỰC MIỀN NÚI PHÍA BẮC






LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2012


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI



PHẠM THỊ THU THỦY



NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VẬT LIỆU TỔNG HỢP TRONG SỬA
CHỮA, NÂNG CẤP CỐNG DƯỚI ĐẬP CÁC HỒ CHỨA QUY MÔ VỪA
VÀ NHỎ KHU VỰC MIỀN NÚI PHÍA BẮC


Chuyên ngành : Xây dựng Công trình thủy
Mã số : 60-58-40



LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS. NGUYỄN QUANG CƯỜNG






HÀ NỘI – 2012


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

1.MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài:
Sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật nói chung và khoa học xây
dựng nói riêng ngày càng tạo thêm nhiều cơ hội và thách thức mới cho các chuyên gia
xây dựng, đặc biệt trong giai đoạn phát triển các ứng dụng các loại vật liệu mới. Nhiều
công trình xây dựng sau khi hoàn thành, hoặc sau một thời gian sử dụng đã có những
biểu hiện xuống cấp, cần phải có những giải pháp sửa chữa, khắc phục; nhất là đối với
các hạng mục công trình cống dưới đê, đập thuộc công trình đầu mối thủy lợi, thủy
điện; việc sửa chữa, khắc phục gặp nhiều khó khăn, đòi hỏi phải sử dụng các tiến bộ
của khoa học vật liệu, giải pháp mới, thi công nhanh và giảm giá thành.
Trong điều kiện công nghệ, vật liệu xây dựng và điều kiện môi trường ở Việt
Nam hiện nay, nhiều hạng mục công trình cống dưới đập thuộc công trình đầu mối
thủy lợi, thủy điện đã phát sinh vết nứt, rỗ bề mặt, bê tông bị bào mòn do dòng chảy,
hoặc xuất hiện các hiện tượng nhũ vôi, hoặc hư hỏng ở các bộ phận nối tiếp giữa các
kết cấu trong giai đoạn thi công và sau một thời gian sử dụng. Có rất nhiều nguyên
nhân gây ra vết nứt và hư hỏng ở các vị trí khớp nối như do co ngót, từ biến, cường độ
chịu kéo kém của bê tông hoặc do chất lượng thi công kém… Hậu quả là xuất hiện

dòng thấm, rò rỉ qua công trình, làm suy giảm khả năng chịu lực của công trình, và dẫn
đến làm ảnh hưởng đến mức độ an toàn và quá trình khai thác, vận hành bình thường
của công trình. Mặt khác, hiện nay trong công tác nâng cấp, sửa chữa công trình đầu
mối thủy l
ợi, một yêu cấp cấp thiết đặt ra cho hạng mục cống lấy nước dưới đập là cần
tăng cường khả năng chịu lực (do thay đổi cột nước tác dụng, thay đổi chế độ làm việc
từ không áp thành có áp) mà không làm thay đổi kết cấu chịu lực chính của cống.
Như vậy, có một nhu cầu rất quan trọng là: sửa chữa và gia cường kết cấu bê
tông cốt thép; xử lý chống thấm tại các vết nứt, các vị trí khớp nối, khe co dãn bị hư
hỏng… của các cống dưới đập hoặc các công trình ngầm.
2. Mục đích của đề tài:


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Nghiên cứu ứng dụng tiến bộ kỹ thuật về vật liệu tổng hợp Composite vào sửa
chữa, nâng cấp các cống lấy nước dưới đập có kích thước vừa và nhỏ đạt hiệu quả kinh
tế - kỹ thuật.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Tổng quan về công nghệ sử dụng vật liệu tổng hợp, đề xuất giải pháp nâng cấp
sửa chữa cống dưới đập
Nghiên cứu lý thuyết về sử dụng vật liệu tổng hợp để gia cường kết cấu; sử
dụng mô hình số để làm rõ những điểm cần thiết trong tính toán kết cấu cống dưới đập
có sử dụng vật liệu tổng hợp Composite
Nghiên cứu biện pháp thi công sửa chữa, nâng cấp cống dưới đập ứng dụng vật
liệu tổng hợp Composite
Ứng dụng để thiết kế sửa chữa một cống dưới đập.
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:
Điều tra đánh giá hiện trạng: Thu thập tài liệu, phân tích đánh giá và phân loại
theo nhóm nguyên nhân hư hỏng các cống dưới đập;

Nghiên cứu trong phòng: Nghiên cứu các giải pháp nâng cấp, sửa chữa các cống
dưới đập; đề xuất giải pháp ứng dụng vật liệu tổng hợp vào sửa chữa, nâng cấp cống
dưới đập; Nghiên cứu lý thuyết, và nghiên cứu mô hình số thông qua một số chương
trình tính hiện hành.
Áp dụng thiết kế cho 01 cống dưới đập có kích thước từ 80÷120cm; chiều dài từ
50÷100m.


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

2.CHƯƠNG 1.
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ỨNG DỤNG VẬT LIỆU TỔNG HỢP
COMPOSITE GIA CƯỜNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG XÂY
DỰNG CÔNG TRÌNH.
1.1 TÌNH HÌNH ỨNG DỤNG VẬT LIỆU TỔNG HỢP GIA CƯỜNG KẾT
CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH.
1.1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Theo thời gian, hầu hết các công trình xây dựng bằng vật liệu bê tông, bê tông cốt
thép bị suy giảm khả năng chịu lực vì tiếp xúc thường xuyên với môi trường không
thuận lợi như nắng, mưa, nước mặn, chua, Các kết cấu chịu lực không còn giữ được
nguyên vẹn điều kiện và khả năng chịu tải như ban đầu. Điển hình là các vết nứt xuất
hiện với bề rộng và mật độ lớn hơn giới hạn cho phép. Bề mặt cấu kiện cũng như diện
tích cốt thép bị ăn mòn do xâm thực và rỉ. Ngoài ra, do các tác động phụ thuộc thời
gian như từ biến, co ngót, mỏi, cường độ của bê tông cũng bị suy giảm nhiều dẫn đến
kết cấu làm việc trong điều kiện bất lợi.
Như vậy, để đảm bảo cho việc duy trì khai thác, kéo dài thời gian làm việc của
công trình, một loạt các phương pháp thay mới cũng như sửa chữa nâng cấp đã được
ứng dụng. Phương pháp thay mới hoàn toàn kết cấu đòi hỏi kinh phí lớn và để giải
quyết cho cả một hệ thống gồm rất nhiều công trình thủy lợi thì nó thể hiện sự không
khả thi cũng như hiệu quả kinh tế, cả ngắn hạn lẫn lâu dài. Phương pháp sửa chữa, gia

cường, cải thiện điều kiện về sức kháng cũng như điều chỉnh tải trọng tác động tỏ ra
hiệu quả hơn về kinh tế kỹ thuật trong điều kiện nước ta hiện nay. Một trong số đó là
giải pháp gia cường kết cấu cũ bằng việc sử dụng các tấm sợi thủy tinh hoặc sợi các-
bon để dán vào bề mặt phía chịu kéo của cấu kiện. Giải pháp này có thể làm phụ
c hồi
trở lại một phần cũng như nâng cao sức chịu tải của kết cấu để phù hợp với yêu cầu
khai thác.


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Glass FRP
Thép
Carbon FRP
1000
500
0.015 0.03
Biến dạng
Ứng suất (MPa)
0


a) b)
Hình 1. 1 a) Ứng suất-biến dạng của vật liệu cốt sợi carbon và sợi thủy tinh b) Ví dụ về
kết cấu tăng cường bởi tấm sợi composite
Vật liệu tổng hợp cốt sợi thủy tinh hoặc các-bon có độ bền chống xâm thực cao,
hoặc có thể nói là rất ít bị ảnh hưởng bởi điều kiện môi trường xâm thực. Đây là một
ưu điểm chính khi so với vật liệu thép. Ngoài ra, về mặt chịu lực thì các vật liệu phi
kim loại này có mô đun đàn hồi thường nhỏ hơn thép nhưng cường độ chịu lực tới hạn
thường lớn hơn nhiều so với thép (Hình 1a). Nhờ mô đun đàn hồi nhỏ hơn thép do đó

vật liệu này khá phù hợp cho việc tăng cường độ cứng chịu lực của mặt cắt cấu kiện
khi vẫn cho phép một phần nào độ biến dạng của kết cấu trong vùng chịu kéo. Kết hợp
với ưu điểm cường độ chịu lực cao thì việc sử dụng tấm composite từ sợi các-bon hoặc
thủy tinh cho phép vừa tăng tính dẻo vừa tăng khả năng chịu lực của cấu kiện, điều này
không chỉ thích hợp cho tải trọng tĩnh và hoạt tải thông thường, mà còn thích hợp cho
việc chịu lực động lớn như động đất.
Sử dụng tấm composite để gia cường sức chịu tải cho cấu kiện chịu lực được thực
hiện bằng cách dùng keo dán trên bề mặt của cấu kiện (Hình 1b). Tùy theo mục đích
gia cường mà tấm composite được dán tại vị trí thích hợp. Đối với cấu kiện chịu uốn
thì tấm gia cường thường được dán tại bề mặt vùng chịu kéo (vùng xuất hiện vết nứt
uốn). Nếu mục đích sự gia cường là về sức kháng cắt thì tấm còn được dán ở cạnh bên



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

của mặt cắt. Đối với cấu kiện chịu nén như cột, thì tấm gia cường có thể dán xung
quanh tạo thành lớp vỏ bọc quanh cột, và điều này không chỉ giúp cột thêm sức kháng
uốn mà sức kháng nén cũng được cải thiện rất nhiều nhờ hiệu ứng nén kiềm chế
(confined) được kích hoạt do sự có mặt của lớp vỏ bọc bằng chất liệu chịu kéo tốt hơn
rất nhiều so với bê tông.
Keo dính dùng để liên kết giữa tấm composite và bê tông đóng vai trò quyết định
đến sự làm việc chung giữa kết cấu bê tông cốt thép và tấm gia cường. Với sự phát
triển mạnh mẽ về công nghệ vật liệu hiện nay có thể đảm bảo được sự dính bám giữa
hai loại vật liệu trên ngay cả trong trường hợp chịu tải trọng lớn. Tuy nhiên, tùy theo
mức độ sử dụng tấm gia cường vị trí phá hoại của hệ kết cấu liên hợp có thể không
phải ở vùng dính bám mà ở các vùng khác trong mặt cắt bê tông do sự phân bố lại ứng
suất biến dạng trong mặt cắt sau khi gia cường.
Ứng xử của kết cấu sau khi được gia cường rất phức tạp, vì nó phụ thuộc vào
trạng thái làm việc trước đó của chính bản thân nó. Ngoài ra, đối với các cấu kiện bằng

bê tông cốt thép, các yếu tố như từ biến, co ngót, phi tuyến vật liệu và ảnh hưởng của
các vết nứt làm cho ứng xử của kết cấu càng thêm phức tạp. Như vậy, sự làm việc của
kết cấu sau khi gia cường dựa trên sự tích lũy ứng suất biến dạ
ng của kết cấu trước đó
và cả sự phân bố lại độ cứng khi tấm gia cường tham gia chịu lực. Do bê tông trong
cấu kiện bị suy giảm về cường độ, nên việc gia cường với mật độ quá ít hay quá nhiều
tấm sợi thủy tinh hay các-bon đều dẫn đến trạng thái phá hoại mới của kết cấu có thể
bất lợi và không hiệu quả trong công tác gia cường. Việc xác định mức độ gia cường,
do vậy, là một vấn đề quan trọng quyết định tính hiệu quả của phương pháp gia cường
này.
Trong hướng dẫn thiết kế và thi công kết cấu gia cường bằng tấm composite ACI
440.2R-08 [6], vì tính phức tạp của ứng xử chịu tải của kết cấu được gia cường nên có
một số điểm trong tính toán thiết kế thông thường đã được bỏ qua, ví dụ như các điều
kiện trong trạng thái giới hạn sử dụng về chuyển vị và bề rộng vết nứt của bê tông vùng


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

chịu kéo. So với kết cấu sử dụng cốt thép bình thường, việc gia cường bằng tấm
composite đã làm thay đổi ứng xử của bê tông vùng chịu kéo mà ở đây là hiệu ứng chịu
kéo chung giữa bê tông và cốt thép, cũng như với tấm gia cường composite (effect of
tension stiffening). Hiệu ứng này phụ thuộc vào trạng thái biến dạng của thớ chịu kéo
và thể hiện tính phi tuyến của ứng xử của kết cấu bê tông cốt thép được gia cường bằng
tấm composite.
Một trong số dạng phá hoại điển hình của kết cấu bê tông cốt thép được gia
cường bằng tấm composite là sự bóc tách của tấm gia cường khỏi bề mặt cấu kiện. Ứng
xử này được quyết định bởi chất lượng keo dính, độ nhám và chất lượng bê tông bề
mặt cấu kiện vùng gia cường và cường độ tải trọng. Khi kết cấu bị nứt xiên do lực cắt,
chuyển vị không bằng nhau của hai phần cạnh vết nứt có thể tạo ra lực gây tách tấm gia
cường và dẫn đến kết cấu bị phá hoại.

Trong khoảng 10 năm gần đây, có nhiều nghiên cứu về sự làm việc của tấm gia
cường composite với các loại vật liệu khác nhau như gỗ, bê tông cốt thép cũng như với
nhiều dạng công trình khác nhau, đặc biệt là công trình cầu, được công bố trên thế giới.
Các ứng dụng của phương pháp gia cường này ngoài công trình cầu cũng có thể thấy ở
công trình nhà và các công trình dân dụng khác. Đối với công trình thủy lợi như cống,
thì độ ẩm của công trình luôn ở mức độ cao và điều này yêu cầu những phẩm chất đặc
biệt về keo dính giữa tấm gia cường và bề
mặt kết cấu bê tông cốt thép. Do đặc thù
phức tạp trong điều kiện làm việc của các kết cấu chịu lực trong công trình thủy lợi nên
các nghiên cứu ứng dụng của phương pháp gia cường trên vẫn còn để mở và chỉ một số
ít nghiên cứu được tìm thấy.
1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
Ở Việt Nam, phương pháp gia cường bằng tấm sợi composite là rất mới mẻ và
chưa có nhiều nghiên cứu chuyên sâu để xem xét sự phù hợp của phương pháp trong
kết cấu công trình. Có một số ít tài liệu khoa học liên quan nhưng chủ yếu chỉ mang
tính giới thiệu. Trong ngành giao thông có vài công trình cầu được nghiên cứu theo


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

hướng sử dụng phương pháp gia cường này để nâng cao khả năng chịu tải của cầu
nhằm đáp ứng được lưu lượng xe nặng ngày càng lớn. Tuy nhiên, việc tính toán thiết
kế cho công tác gia cường hoàn toàn phụ thuộc vào đơn vị tư vấn ở nước ngoài. Những
hiểu biết về lĩnh vực này từ các dự án đã và đang triển khai là rất hạn chế. Trong ngành
thủy lợi, giải pháp gia cường này chưa được áp dụng cho một công trình nào.
Như vậy, để ứng dụng và làm chủ được công nghệ gia cường kết cấu bê tông cốt
thép bằng vật liệu composite thì việc nghiên cứu ứng xử của các cấu kiện BTCT thông
qua quan trắc và phân tích các quan hệ ứng suất - biến dạng và diễn biến của chúng
theo thời gian dưới các loại tải trọng và tác dụng khác nhau là rất cần thiết. Việc quan
trắc và phân tích cần được tiến hành một cách bài bản bằng lý thuyết, khảo sát trên mô

hình vật lý và mô hình số, và thử nghiệm ở công trình thực tế.
1.2 ĐÁNH GIÁ VÀ PHÂN LOẠI NGUYÊN NHÂN HƯ HỎNG, MỨC ĐỘ
SUY GIẢM KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA CÁC CỐNG DƯỚI ĐẬP
Trên cơ sở kết quả khảo sát hiện trạng một số cống dưới đập khu vực miền núi
phía Bắc, có thể phân loại nguyên nhân hư hỏng, mức độ suy giảm khả năng chịu lực
của công trình như sau:
a). Hỏng các khớp nối:
Nền cống lún không đều do địa chất xấu không được xử lý, hoặc biện pháp xử lý
chưa hợp lý
Phân đoạn cống và bố trí các khớp nối không hợp lý.
Thiết kế khớp nối chưa hợp lý.
Thi công khớp nối không đảm bảo kỹ thuật.
b). Đáy cống bị xói
Thiết kế không có biện pháp chống xói do lưu tốc lớn và do chân không gây ra.
Thi công đáy cống không đảm bảo chất lượng.
Bê tông đáy cống giảm cường độ do nước hồ có chất gây ăn mòn, xâm thực.
c). Cống bị dột và mục


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Thiết kế thành cống quá mỏng, không có biện pháp chống thấm ở ngoài thành
cống và cho bê tông cống.
Thi công thân cống và thực hiện biện pháp chống thấm không đảm bảo chất
lượng.
Bê tông thân cống giảm cường độ do nước hồ có chất gây ăn mòn.
d). Hỏng tiêu năng hạ lưu
Tính toán sai chế độ nối tiếp thủy lực sau cống.
Thiết kế biện pháp tiêu năng chưa hợp lý.
Thi công phần tiêu năng không đảm bảo chất lượng.

Vận hành đóng mỏ cống không đúng qui trình.
e) Kẹt và hư cửa cống
Thiết kế không đảm bảo chất lượng: kết cấu bất hợp lý hoặc không thích hợp.
Chọn sai tổ hợp tải trọng, chọn sai sơ đồ hoặc phương pháp tính.
Gia công, chế tạo, lắp đặt không đảm bảo chất lượng.
Duy tu, bảo dưỡng cửa không đảm bảo chất lượng
Vận hành sai qui trình
f) Gãy cống
Do các nguyên nhân sau đây:
- Đánh giá sai địa chất nền cống;
- Nền cống bị thoái hóa, rỗng.
- Thiết kế không đủ khả năng chịu lực (thành cống mỏng, bố trí cốt thép không
đủ, )
- Thi công bê tông không đảm bảo chất lượng;
- Bê tông thân cống bị thoái hóa.
1.3 CÔNG NGHỆ GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT BẰNG TẤM SỢI TỔNG
HỢP COMPOSITE.


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

1.3.1 Vật liệu cốt sợi tổng hợp
1.3.1.1 Đặc tính cấu tạo
a) Chất kết dính:
Chất kết dính được sử dụng để gắn kết tấm vật liệu cốt sợi tổng hợp và bề mặt
bê tông của cấu kiện. Chất kết dính cung cấp đường dẫn tải trọng cắt giữa bề mặt bê
tông và hệ thống gia cường tấm composite. Chất kết dính cũng được sử dụng để gắn
các lớp vật liệu composite lại với nhau.
Đặc điểm của Epoxy:
- Độ nhớt thấp, rất linh động., có thể thâm nhập vào các kẽ rỗng cực nhỏ bên

trong nền bê tông
- Lớp Epoxy như là lớp lót và bão hoà sẽ chắc chắn tạo thành lớp nền Epoxy
hoàn chỉnh
b) Cốt sợi:
Các cốt sợi thủy tinh, aramid và các-bon thường được sử dụng với hệ thống gia
cường bằng vật liệu composite. Các cốt sợi này giúp cho hệ thống gia cường về mặt
cường độ và độ cứng.
c) Lớp bảo vệ:
Lớp bảo vệ giúp giữ gìn cốt thép gia cường đã được kết dính khỏi các tổn hại
tiềm năng do môi tác động môi trường và cơ học. Lớp bảo vệ được ứng dụng điển hình
ở bề mặt ngoài của hệ thống gia cường sau khi thực hiện việc bảo dưỡng lớp kết dính.
Việc bảo vệ này có nhiều dạng khác nhau. Chúng bao gồm keo epoxy, hệ thống kết
dính tạo nhám, lớp bảo vệ chống cháy,


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật




Hình 1. 2 : Cấu tạo vật liệu cốt sợi tổng hợp

1.3.1.2 Đặc tính vật lý
a) Khối lượng riêng:
Cốt sợi (thuỷ tinh,
carbon)
Chất nền Polymer
(Epoxy)
Neo vào trong bê tông
Sự bám dích chặt hơn

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Vật liệu polymer cốt sợi có khối lượng riêng trong khoảng từ 1,2 tới 2,1 g/cm3,
theo đó nhỏ hơn thép 6 lần. Việc giảm khối lượng riêng giúp giảm giá thành vận
chuyển, giảm phần tĩnh tải gia tăng của kết cấu và có thể dễ dàng xử lý vật liệu ở công
trường.
Bảng 1. 1: Khối lượng riêng của các loại vật liệu cốt sợi
Thép
GFRP
CFRP
AFRP
7,9
1,2 – 2,1
1,5 – 1,6
1,2 – 1,5
b) Hệ số dãn nở nhiệt:
Các hệ số dãn nở nhiệt của vật liệu composite chịu lực một chiều khác nhau theo
phương dọc và ngang, phụ thuộc vào kiểu loại cốt sợi, vật liệu kết dính và tỷ lệ cốt sợi.
Bảng 1. 2: Hệ số dãn nở nhiệt của các loại vật liệu cốt sợi

Hệ số dãn nở nhiệt (× 10
P
-6
P
/°C)
GFRP
CFRP
AFRP

Theo chiều dọc, α
R
L

6 tới 10
–1 tới 0
–6 tới –2
Theo chiều ngang, α
R
T

19 tới 23
22 tới 50
60 tới 80
Ghi chú: đây là các giá trị điển hình đối với hàm lượng thể tích cốt sợi
thay đổi trong phạm vi 0,5 tới 0,7 [1].
c) Ảnh hưởng của nhiệt độ cao:
Phụ thuộc vào thời gian, mô đun đàn hồi của vật liệu polymer bị giảm đáng kể do
sự thay đổi cấu trúc vật liệu của nó. Giá trị của Tg phụ thuộc vào dạng chất dính kết
nhưng thông thường nằm trong khoảng 60 tới 82°C. Ở vật liệu composite FRP, cố sợi
thể hiện đặc tính nhiệt tốt hơn so với chất kết dính và có thể tiếp tục chịu một số tải
trọng theo phương dọc thớ cho đến khi nhiệt độ đạt tới giới hạn làm chảy cốt sợi. Điều
này có thể xảy ra khi nhiệt độ vượt quá 1000°C. Cốt sợi thủy tinh có khả năng chịu
nhiệt không quá 275°C. Do sự giảm lực chuyển đổi giữa các cố sợi thông qua liên kết
tới chất kết dính, đặc tính chịu kéo của vật liệu composite bị giảm. Các kết quả thí


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

nghiệm đã cho thấy, ở nhiệt độ 250°C (cao hơn nhiều so với nhiệt độ giới hạn Tg của

vật liệu kết dính) sẽ làm giảm cường độ chịu kéo của các vật liệu cốt sợi thủy tinh và
carbon tới 20%. Các đặc tính khác bị tác động bởi sự truyền lực cắt qua phần vật liệu
kết dính, chẳng hạn như cường độ chịu uốn, sẽ bị giảm đáng kể ở nhiệt độ thấp.
Đối với các việc ứng dụng theo điều kiện lực dính bám của các hệ thống gia
cường bằng vật liệu cốt sợi tổng hợp thì đặc tính vật liệu polymer tại điểm tiếp xúc
giữa bê tông và cốt sợi là thiết yếu cho việc duy trì sự dính bám giữa lớp vật liệu gia
cường và bê tông. Ở nhiệt độ gần với giá trị nhiệt độ tới hạn của nó Tg, các đặc tính cơ
học của vật liệu polymer bị giảm đáng kể và vật liệu này bắt đầu mất khả năng chuyển
đổi ứng suất từ bê tông sang cốt sợi.
1.3.1.3 Đặc tính cơ học
a) Cường độ chịu kéo:
Khi chịu lực kéo trực tiếp, vật liệu cốt sợi tổng hợp không thể hiện ứng xử dẻo
trước khi bị phá hoại. Ứng xử kéo của vật liệu này được biểu diễn bằng quan hệ ứng
suất – biến dạng đàn hồi tuyến tính đến khi bị phá hoại, và trong trường hợp này sự phá
hoại là đột ngột và giòn.
Cường độ kéo và độ cứng của vật liệu cốt sợi composite phụ thuộc vào nhiều
tham số. Vì các sợi trong vật liệu tổng hợp là thành phần chịu tải chính, nên kiểu cốt
sợi, chiều sắp xếp của cốt sợi, lượng cốt sợi và phương pháp cũng như điều kiện chế
tạo cốt sợi ảnh hưởng tới đặc tính chịu kéo của vật liệu này.
b) Ứng xử nén:
Các hệ thống gia cường ngoài bằng vật liệu cố sợi tổng hợp không được sử dụng
cho mục đích gia cường vùng chịu nén. Mô đun đàn hội nén thường nhỏ hơn so với mô
đun đàn hồi kéo. Các kết quả thí nghiệm trên cùng loại vật liệu với tỷ lệ thể tích là 55-
60% của cốt sợi thủy tinh liên tục nằm trong chất kết dính ester hoặc polyester đã cho
thấy là mô đun đàn hồi có giá trị trong khoảng 34000 và 48000 MPa. Mô đun đàn hồi


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

nén xấp xỉ 80% mô đun đàn hồi kéo đối với vật liệu GFRP, 85% đối với CFRP và

100% đối với AFRP.
1.3.1.4 Ứng xử phụ thuộc thời gian
Vật liệu cốt sợi tổng hợp chịu một tải trọng là hằng số theo thời gian có thể bị phá
hủy đột ngột sau một khoảng thời gian nào đó được xem là thời gian kéo dài. Dạng phá
hoại này được gọi là phá hoại từ biến. Do tỷ số giữa ứng suất kéo dài hạn và cường độ
ngắn hạn của lớp vật liệu tổng hợp tăng, nên thời gian chịu đựng tăng. Thời gian giới
hạn này giảm trong điều kiện môi trường ngược lại, ví dụ như nhiệt độ tăng, sự tác
động của tia tử ngoại, chịu tác động khô ẩm liên tục và sự đóng và tan băng có lặp đi
lặp lại.
Nói chung, cốt sợi carbon ít bị phá hoại nhất do từ biến. Cốt sợi aramid ở mức
trung bình và cố sợi thủy tinh là có nguy cơ cao nhất. Các thí nghiệm về phá hoại từ
biến được thực hiện với cốt sợi thủy tinh, armad và carbon trong nhiều mức tải trọng
khác nhau và với nhiệt độ phòng cho thấy, một quan hệ tuyến tính giữa cường độ phá
hoại do từ biến và logarithm của thời gian. Tỷ số ứng suất tại thời điểm phá hoại sau 50
năm so với ứng suất tới hạn khởi điểm của vật liệu GFRP, AFRP và CFRP lần lượt
khoảng 0.3, 0.5 và 0.9.
1.3.2 Các ưu điểm của vật liệu composite trong sửa chữa, gia cố công trình BTCT
Với các tính chất kể trên, đặc biệt là khả năng chịu lực kéo rất cao, mô đun đàn
hồi rất lớn, các dạng tấm FRP, vải FRP thường được dùng để sửa chữa sự giảm khả
năng chịu lực hoặc hư hỏng của các phần tử kết cấu bằng cách dán hoặc bọc bên ngoài
cấu kiện.
Chúng ta có thể sử dụng vật liệu FRP trong những trường hợp sau đây:
- Tăng khả năng chịu cắt và chịu uốn của dầm bê tông cốt thép để sửa chữa, gia
cố và tăng cường khả năng chịu tải động.
- Tăng cường khả năng chịu uốn của sàn bê tông cốt thép tại vùng có mô men
dương và mô men âm.


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Tăng cường khả năng chịu uốn của cột
Tăng khả năng chịu lực, chống nổ cho tường



- Tăng khả năng chịu uốn và bó cột bê tông cốt thép để tăng cường khả năng
chịu lực và chịu tải động.











Trong kết cấu bê tông cốt thép, đối với tường bê tông nhẹ và tường không có cốt
thép như các khối xây gạch, vật liệu FRP cũng chứng minh lợi ích bằng cách tăng khả
năng chịu cắt và chịu uốn. Ngoài ra, đối với kết cấu tường vật liệu FRP còn có khả
năng chống cháy, nổ rất tốt.
Tăng cường khả năng chịu cắt và chịu
uốn của dầm
Gia cố sàn bê tông cốt thép bằng tấm
FRP



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Các kết cấu sử dụng FRP để tăng cường khả năng chịu lực hoặc sửa chữa hư
hỏng cũng rất đa dạng như: đường hầm, đường ống dẫn nước, tường cứng BTCT, dầm,
cột, sàn bị khoét lỗ, khối xây, tấm sàn, bề mặt sàn …





Gia cố đường hầm Cột tròn gia cố, sửa Gia cố sửa chữa
bằng tấm FRP bằng tấm FRP dầm bằng tấm FRP
1.3.3 Khả năng ứng dụng
Những ưu điểm của vật liệu FRP rất phù hợp (hay nói cách khác phát huy hiệu
quả cao) với những kết cấu yêu cầu chịu lực cắt, uốn vừa và lớn. Qua phân tích, đánh
giá đặc điểm vật liệu của sợi carbon CFRP và đặc điểm làm việc của một số kết cấu bê
tông cốt thép trong công trình thuỷ lợi nêu trên, có thể thấy ứng dụng hợp lý đối với
những dạng kết cấu sau:
- Các cấu kiện bê tông cốt thép trong các hạng mục công trình vùng ven biển.
- Các kết cấu chịu áp lực cao như các cống dưới đê, đập.
- Các kết cấu cửa van vùng chịu ảnh hưởng của môi trường xâm thực mạnh.
Qua nghiên cứu, chúng ta có thể nhận thấy rõ được các ưu điểm của phương
pháp sửa chữa, gia cố bằng vật liệu FRP ở các mặt: vật liệu FRP có cường độ và độ
bền rất cao, khối lượng riêng thấp, thi công dễ dàng nhanh chóng, ít tốn nhân công,
không cần máy móc đặc biệt, có thể thi công trong điều kiện mặt bằng chật hẹp, không
ảnh hưởng đến xung quanh nên có thể tiến hành thi công khi công trình vẫn tiếp tục
hoạt động, khối lượng gia cố thấp, không làm thay đổi kiến trúc và công năng của công
trình, đảm bảo tính mỹ thuật cao, không cần bảo trì.


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Với những ưu điểm của vật liệu FRP, việc ứng dụng được trong sửa chữa, gia
cường và bảo vệ một số kết cấu bê tông cốt thép trong công trình thuỷ lợi nêu trên có ý
nghĩa rất lớn cả về kinh tế và kỹ thuật.
Trong điều kiện công nghệ, vật liệu xây dựng và điều kiện môi trường ở Việt
Nam hiện nay, nhiều hạng mục công trình cống dưới đập thuộc công trình đầu mối
thủy lợi, thủy điện đã phát sinh vết nứt, rỗ bề mặt, bê tông bị bào mòn do dòng chảy,
hoặc xuất hiện các hiện tượng nhũ vôi, hoặc hư hỏng ở các bộ phận nối tiếp giữa các
kết cấu trong giai đoạn thi công và sau một thời gian sử dụng. Có rất nhiều nguyên
nhân gây ra vết nứt và hư hỏng ở các vị trí khớp nối như do co ngót, từ biến, cường độ
chịu kéo kém của bê tông hoặc do chất lượng thi công kém… Hậu quả là xuất hiện
dòng thấm, rò rỉ qua công trình, làm suy giảm khả năng chịu lực của công trình, và dẫn
đến làm ảnh hưởng đến mức độ an toàn và quá trình khai thác, vận hành bình thường
của công trình. Mặt khác, hiện nay trong công tác nâng cấp, sửa chữa công trình đầu
mối thủy lợi, một yêu cấp cấp thiết đặt ra cho hạng mục cống lấy nước dưới đập là cần
tăng cường khả năng chịu lực (do thay đổi cột nước tác dụng, thay đổi chế độ làm việc
từ không áp thành có áp) mà không làm thay đổi kết cấu chịu lực chính của cống.
Đặc thù của công tác sửa chữa các công trình kết cấu là trong khi tiến hành sửa
chữa phải bảo đả
m sự hoạt động bình thường của kết cấu. Do đó nếu sửa chữa theo
cách thức thông thường, sử dụng vật liệu truyền thống thì công tác sửa chữa sẽ trở nên
tốn kém. Ứng dụng vật liệu FRP trong công tác sửa chữa, gia cường kết cấu bê tông
cốt thép sẽ làm giảm giá thành công trình; với khả năng chịu lực cao có thể tăng được
khẩu độ của kết cấu.
Để có thể ứng dụng được vật liệu FRP trong các kết cấu nêu trên, cần thiết phải
tiến hành nghiên cứu đầy đủ về ứng xử cơ học của vật liệu cũng như của toàn kết cấu
(xác định được trường ứng suất và biến dạng) đối với từng trường hợp làm việc cụ thể.
Trong phạm luận văn chỉ đi sâu nghiên cứu ứng dụng vật liệu FRP để gia
cường, bảo vệ các kết cấu trong cống dưới đập; tiến hành nghiên cứu lý thuyết, sử dụng

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

mô hình số để nghiên cứu trạng thái ứng suất, biến dạng trong kết cấu có sử dụng vật
liệu FRP. Qua phân tích kết quả tính toán sẽ đưa ra được các kết luận về việc ứng dụng
vật liệu FRP trong sửa chữa, gia cường kết cấu bê tông cốt thép cống dưới đập trong
công trình thuỷ lợi.






Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

3.CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ LUẬN CÔNG NGHỆ GIA CƯỜNG KẾT CẤU BÊ TÔNG
CỐT THÉP BẰNG VẬT LIỆU TỔNG HỢP, ỨNG DỤNG SỬA CHỮA, NÂNG
CẤP CỐNG DƯỚI ĐẬP
2.1 TỔNG QUAN VỀ ỨNG XỬ CỦA VẬT LIỆU VÀ KẾT CẤU
2.1.1 Giới thiệu chung
Trong phần này sẽ trình bày tổng quan về ứng xử của vật liệu và kết cấu bê tông
cốt thép được gia cường bằng vật liệu tổng hợp. Đây là cơ sở để giúp cho việc mô hình
hóa và tính toán kết cấu nói chung cũng như thực hiện các phân tích ứng xử bằng
phương pháp số cho các mục đích khác nhau.
2.1.2 Ứng xử của vật liệu
Nói chung, dưới tác dụng của tải trọng thì kết cấu bê tông cốt thép có ứng xử phi
tuyến. Điều này xuất phát từ đặc tính cố hữu của vật liệu. Dưới đây trình bày chi tiết
các mô hình ứng xử của vật liệu bê tông, cốt thép và tấm gia cường bằng cốt sợi có
cường độ cao.

Để mô tả ứng xử của các vật liệu này, thông thường được thể hiện thông qua quan
hệ giữa độ lớn của ứng suất – biến dạng hoặc lực – chuyển vị, những quan hệ này có
thể xác định thông qua các thí nghiệm thích hợp.

Hình 2. 1: Biểu đồ lực – chuyển vị của ứng xử một chiều


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trong hình 2.1, các quan hệ khác nhau giữa tải trọng và chuyển vị được trình bày,
như trong các thí nghiệm kéo và nén. Các biểu đồ thể hiện không chỉ quan hệ trong quá
trình gia tải đơn mà còn cả trong trường hợp giảm tải (đường nét đứt). Hình 2.1a thể hiện
ứng xử đàn hồi. Chuyển vị được phục hồi hoàn toàn khi giảm tải, ở đây không có sự mất
mát năng lượng. Hình 2.1b và 2.1c thể hiện ứng xử vật liệu đàn dẻo. Đường quan hệ tải
trọng và chuyển vị không trở lại hoàn toàn và sau khi giảm tải tồn tại một biến dạng dư
không phục hồi. Diện tích phần xám thể hiện phần năng lượng bị phân tán.
2.1.3 Ứng xử của vật liệu bê tông
a) Ứng xử chịu kéo một trục
Đầu tiên, ứng xử ứng suất – biên dạng của bê tông trong trường hợp chịu tải một
trục sẽ được trình bày. Ứng xử của bê tông dưới tác động kéo của tải trọng trong
trường hợp không có cốt thép đã được rất nhiều nghiên cứu trình bày. Sự phát triển của
nó được thực hiện thông qua từng bước tiến bộ trong kỹ thuật thí nghiệm. Ngày nay có
thể có được những máy móc thí thí nghiệm mẫu lớn và các kỹ thuật đo đạc cao. Sự
phát triển về lý thuyết trong việc mô hình hóa vết nứt cho phép cơ học phá hủy phi
tuyến phát triển.

Hình 2. 2: Ứng xử của mẫu bê tông chịu kéo theo Hillerborg (1983)
Mô hình vật lý đơn giản mô tả sự phát triển vết nứt đã được Hillberborg và những
người khác (1976) đề xuất (xem hình 2.2). Với mô hình nứt giả định này (theo
Hillberborg 183) thì có thể nói, sự dãn dài của thanh bê tông chịu kéo thông qua ứng

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

xử biến dạng của thanh không bị nứt và phần vùng nứt. Hình 2.2 mô tả quan hệ cơ bản
của mô hình này.
b) Ứng xử chịu nén một trục
Bằng việc nghiên cứu thực nghiệm về ứng xử biến dạng của bê tông dưới tác
dụng của tải trọng nén có thể quan sát được sự giảm cường độ của bê tông sau khi đạt
tới giá trị lớn nhất. Cũng trong trường hợp này thì ứng xử đo đạc được là ứng xử của
mẫu bê tông theo chiều gia tải.

Hình 2. 3: Thí nghiệm nén mẫu bê tông hình trụ. a) Đường quạn hệ tải trọng và
chuyển vị; b) ứng xử bê tông vùng sau khi đạt cường độ lớn nhất; c) Phân bố biến
dạng đo được theo chiều cáo mẫu thí nghiệm


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình 2.3c mô tả sự phân bố biến dạng của mẫu trụ có các đường kính khác nhau
Trong miền giảm cường độ với khoảng 0,6f
R
c
R. Trong hình 2.3b là các đường thể hiện
quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị.
c) Ứng xử nén ba trục
Dưới tác dụng của tải trọng nén ba trục thì ứng xử biến dạng và ứng xử phá hoại
của bê tông thay đổi phụ thuộc vào cường độ cũng như độ lớn của tải trọgn khi đạt giá
trị lớn nhất. Trong biểu đồ trên hình 2.4a thể hiện đường cong ứng suất biến dạng từ thí
nghiệm theo giá trị tương đối. Các kết quả này là từ thí nghiệm của Richart,

Brandtzaeg và Brown (1928) cho mẫu bê tông hình trụ với độ mảnh l/d = 2.

Hình 2. 4: Bê tông bị kéo nén ba trục. a) đường quan hệ ứng suất – biến dạng theo kết
quả thí nghiệm của Richart, Brandtzaeg và Brown (1928) đối với mẫu trụ với d =
102mm và l = 203 mm; (b) Kết quả thí nghiệm của Menne (1977) đối với mặt chảy.


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

d) Ứng xử trong trạng thái ứng suất phẳng
Vì trong kết cấu bê tông, nhiều phần tử chịu tải, hoặc vùng kết cấu chịu tải có thể
được lý tưởng hóa theo các kết cấu phẳng, thì ứng xử của bê tông dưới tác dụng của tải
trọng hai trục được đặc biệt chú ý. Hình 2.5 là kết quả thí nghiệm của Kupfer (1973).
Trong khuôn khổ loạt thí nghiệm này có tổng cộng 240 tấm bê tông với các kích thước
từ 200mm.200mm.50mm được nghiên cứu. Cũng tương tự, các thí nghiệm của van
Mier (1986) cũng được trình bày có kết quả sát với của Kupfer (1973).

Hình 2. 5: Bê tông chịu kéo nén 2 trục. a) Các kết quả thí nghiệm của Kupfer (1973),
von Mier (1986); b) Giới hạn chảy lý tưởng
2.1.4 Ứng xử của vật liệu thép
Trong tính toán thiết kế kết cấu bê tông cốt thép thường được hiểu là cốt thép chỉ
chịu lực dọc theo chiều dài thanh hay cáp, do đó được xem là chịu lực một trục. Trong
hình 2.6 thể hiện các quan hệ tải trọng – chuyển vị điển hình của các loại cốt thép trong
thí nghiệm kéo một trục (Sigrist và Marti, 1993). Đường cong trong hình 2.6a thể hiện
ứng xử của thép tự nhiên trong khi hình 6b thể hiện ứng xử của thép kéo nguội.



Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình 2. 6: Thí ngihệm kéo đối với mẫu thép có chiều dài tự do 750mm.
a) Thép tự nhiên và b) Thép kéo nguội
2.1.5 Ứng xử của vật liệu của tấm gia cường
a) Cường độ chịu kéo:
Khi chịu lực kéo trực tiếp, vật liệu cốt sợi tổng hợp không thể hiện ứng xử dẻo
trước khi bị phá hoại. Ứng xử kéo của vật liệu này được biểu diễn bằng quan hệ ứng
suất – biến dạng đàn hồi tuyến tính đến khi bị phá hoại, và trong trường hợp này sự phá
hoại là đột ngột và giòn.
Cường độ kéo và độ cứng của vật liệu cốt sợi composite phụ thuộc vào nhiều
tham số. Vì các sợi trong vật liệu tổng hợp là thành phần chịu tải chính, nên kiểu cốt
sợi, chiều sắp xếp của cốt sợi, lượng cốt sợi và phương pháp cũng như điều kiện chế
tạo cốt sợi ảnh hưởng tới đặc tính chịu kéo của vật liệu này.
b) Ứng xử nén:
Các hệ thống gia cường ngoài bằng vật liệu cố sợi tổng hợp không được sử dụng
cho mục đích gia cường vùng chịu nén. Mô đun đàn hội nén thường nhỏ hơn so với mô
đun đàn hồi kéo. Các kết quả thí nghiệm trên cùng loại vật liệu với tỷ lệ thể tích là 55-
60% của cốt sợi thủy tinh liên tục nằm trong chất kết dính ester hoặc polyester đã cho
thấy là mô đun đàn hồi có giá trị trong khoảng 34000 và 48000 MPa. Mô đun đàn hồi