Nghiên cứu ứng xử của sàn bê tông cốt thép có gia cường tấm cfrp bằng phương pháp phần tử hữu hạn

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
..

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHẠM THẾ HÙNG

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA SÀN BÊ TƠNG CỐT THÉP
CĨ GIA CƯỜNG TẤM CFRP BẰNG PHƯƠNG PHÁP
PHẦN TỬ HỮU HẠN

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ TḤT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Đà Nẵng – Năm 2019


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHẠM THẾ HÙNG

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA SÀN BÊ TƠNG CỐT THÉP
CĨ GIA CƯỜNG TẤM CFRP BẰNG PHƯƠNG PHÁP
PHẦN TỬ HỮU HẠN

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Cơng trình dân dụng và Cơng nghiệp
Mã số: 85.80.201

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CƠNG NGHIỆP

Người hướng dẫn khoa học:TS. NGUYỄN QUANG TÙNG

Đà Nẵng – Năm 2019


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình riêng của tôi. Các số liệu, kết quả nêu
trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ cơng
trình nào.
Học viên thực hiện

Phạm Thế Hùng


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng. Khoa Xây
dựng dân dụng và công nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi nhất giúp tơi trong q trình
học tập và nghiên cứu thực hiện luân văn thạc sỹ trong khóa đào tạo cao học tại
trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng.
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn – TS. Nguyễn Quang Tùng đã tận
tình hướng dẫn, giúp đỡ tơi hồn thành luận văn một cách tốt nhất.
Tôi xin chân thành cảm ơn tới gia đình, bạn bè và các anh chị em đồng nghiệp
đã có những đóng góp giúp đỡ để tơi hồn thành luận văn này.
Tơi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy cơ và bạn đọc.
Học viên thực hiện

Phạm Thế Hùng

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA
SÀN BÊ TƠNG CỐT THÉP CĨ GIA CƯỜNG TẤM CFRP BẰNG PHƯƠNG
PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
Học viên: Phạm Thế Hùng
Mã số: 85.80.201

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình DD&CN
Khóa: 35 Trường Đại học Bách khoa-ĐHĐN

Tóm tắt – Sàn bê tông cốt thép là một phần trong kết cấu nhà bê tông cốt thép, được
sử dụng rộng rãi trong xây dựng nhà cửa. Sàn bê tông cốt thép có dạng tấm, chịu uốn
và chịu tải trọng trực tiếp thẳng đứng truyền sang dầm và cột. Luận văn này khảo sát
ứng xử của sàn bê tông cốt thép có gia cường tấm CFRP bằng phương pháp phần tử
hữu hạn. Trong đó sử dụng phần mềm ABAQUS để mô phỏng và nghiên cứu ứng xử
của sàn. Kết quả phân tích, so sánh ứng xử của sàn bê tơng cốt thép khi chưa gia
cường tấm CFRP và khi có gia cường tấm CFRP để đánh giá khả năng gia cường sàn
bẳng tầm CFRP.
Từ khóa: Sàn bê tơng cốt thép, tấm CFRP, ứng xử sàn bê tông cốt thép, gia cường sàn
bằng tấm CFRP, Abaqus…

RESEARCH BEHAVIOR OF REINFORCED CONCRETE SLAB
REINFORCING WITH CFRP FINITE ELEMENT
Abstract – Reinforced concrete slab is part of reinforced concrete house structure,
widely used in house construction. Reinforced concrete slab are shell, bending and to
vertical loads transferred to beams and columns. This thesis examines the behavior of
reinforced concrete slab reinforcing CFRP by finite element method. Which uses
ABAQUS software to simulate and study the behavior of the slab. Results of analysis
and comparison of the behavior of reinforced concrete slab without reinforcing CFRP
and when reinforcing CFRP to assess the ability to strengthen slab by CFRP.
Keywords: reinforced concrete structural slab, CFRP, behavior reinforced concrete

slab, reinforcing slab by CFRP, Abaqus…


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
TĨM TẮT
MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ẢNH
DANH MỤC BẢNG BIỂU

MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài............................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................................................1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...............................................................................2
4. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................. 2
5. Kết quả dự kiến............................................................................................................2
CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ SỰ HƯ HỎNG CỦA CƠNG TRÌNH VÀ CÁC
PHƯƠNG PHÁP GIA CỐ, SỬA CHỮA........................................................................3
1.1.Tổng quan sự xuống cấp của cơng trình bê tơng cốt thép .........................................3
1.1.1. Tình hình chung về sự xuống cấp của cơng trình bê tơng cốt thép ở nước ta. ......3
1.1.2. Một số nguyên nhân gây hưu hỏng và xuống cấp của các cơng trình:..................4
1.2. Tổng quan về q trình cải tạo, nâng cấp và chuyển đổi mục đích sử dụng của
cơng trình bê tơng cốt thép. ............................................................................................. 9
1.3. Các phương pháp gia cường kết cấu. .....................................................................12
1.3.1. Gia cường bằng phương pháp dán tấm thép ........................................................ 12
1.3.2. Gia cường bằng phương pháp dán tấm sợi thủy tinh GFRP. .............................. 14
1.3.3. Gia cường bằng phương pháp dán tấm sợi các bon CFRP..................................14
1.4. Phương pháp gia cường sàn bê tông cốt thép bằng tấm CFRP .............................. 15
1.4.1. Thành phần cấu tạo và tính chất cơ lý của tấm CFRP.........................................16

1.5. Kết luận chương . ..................................................................................................21
CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP CÓ GIA CƯỜNG TẤM
CFRP BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN ..............................................22
2.1. Giới thiệu phương pháp phần tử hữu hạn và phần mềm Abaqus ........................... 22
2.1.1. Phương pháp phần tử hữu hạn. ............................................................................22
2.1.2. Phần mềm Abaqus. .............................................................................................. 23
2.2. Quy trình mơ phỏng sàn bê tơng cốt thép có gia cường tấm CFRP bằng phần mềm
Abaqus. .......................................................................................................................... 36
2.2.1. Mô phỏng sàn bê tông cốt thép............................................................................36
2.3. KẾT LUẬN ...........................................................................................................46


CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA SÀN BÊ TƠNG CỐT THÉP CĨ GIA
CƯỜNG TẤM CFRP ....................................................................................................47
3.1.Thơng tin mơ hình thực hiện nghiên cứu. ............................................................... 47
3.2. Phân tích ảnh hưởng của tấm CFRP đến ứng xử của sàn bê tông cốt thép. ...........48
3.2.1. Ảnh hưởng đến sự làm việc chung của sàn bê tông cốt thép. ............................. 48
3.2.2. Ảnh hưởng đến nội lực sàn bê tông cốt thép .......................................................48
3.2. Kết luận chương ....................................................................................................56
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................57
1. Kết luận......................................................................................................................57
2. Kiến nghị ...................................................................................................................57
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 58


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1. Nhà trung tâm giới thiệu việc làm tỉnh Bà Rịa-Vũng Tàu ............................. 4
Hình 1.2. Nhà chung cư xóm Z tỉnh Quảng Bình ........................................................... 4
Hình 1.3. Sự Phá vỡ sự kết dính giữa bêtơng và cốt thép ...............................................5

Hình 1.4. Sơ đồ rỉ cốt thép do q trình điện hóa ........................................................... 7
Hình 1.5.Cơ chế ăn mịn điện hóa thép trong bêtơng khi có mặt ion Cl  ......................7
Hình 1.6. Nứt do co ngót bê tơng ....................................................................................8
Hình 1.7. Nứt bê tơng do lún ........................................................................................... 9
Hình 1.8. Khu chung cư Thành Cơng, Hà Nội .............................................................. 10
Hình 1.9. Mặt tiền Nhà 5 tầng TP. Hồ Chí Minh cải tạo, thay đổi cơng năng ..............11
Hình 1.10. Sơ đồ kết cấu Nhà 5 tầng TP. Hồ Chí Minh được cải tạo, thay đổi ...........11
Hình 1.11. Gia cường sàn bê tơng cố thép bằng phương pháp dán tấm thép ................13
Hình 1.12: Các thông số kỹ thuật của một số tấm sợi thủy tinh....................................14
Hình 1.13: Ứng suất-biến dạng của vật liệu cốt sợi các bon và sợi thủy tinh ...............15
Hình 1.14: Gia cố sàn phẳng tăng khả năng chịu uốn của sàn bằng tấm CFRP ...........15
Hình 2.1: Phần tử dạng khối 3 chiều, 8 nút tuyến tính [13] .........................................23
Hình 2.2 Phần tử dạng thanh (truss) [13] ......................................................................24
Hình 2.3 Quan hệ ứng suất –biến dạng khi chịu kéo của bê tơng [10] ......................... 26
Hình 2.4 Quan hệ ứng suất –biến dạng khi chịu nén của bê tơng [10] ......................... 27
Hình 2.5 Quan hệ ứng suất nén – biến dạng khơng phục hồi........................................28
Hình 2.6 Quan hệ biến dạng không phục hồi và hệ số phá hoại do nén .......................28
Hình 2.7 Quan hệ ứng suất kéo – biến dạng khơng phục hồi........................................29
Hình 2.8 Quan hệ biến dạng không phục hồi và hệ số phá hoại do kéo .......................29
Hình 2.9 Quan hệ ứng suất –biến dạng khái qt hóa của cốt thép .............................. 32
Hình 2.10: Kích thước sàn bê tơng .............................................................................37
Hình 2.11 : Cấu tạo cốt thép trong sàn .......................................................................37
Hình 2.12 : Tạo tấm và hệ lưới CFRP .........................................................................38
Hình 2.13 : Tạo gối liên kết cho sàn ............................................................................38
Hình 2.14: Thơng số mơđun đàn hồi và hệ số poisson..................................................39
Hình 2.15: Thơng số dẻo cho mơ hình vật liệu bê tơng ................................................39
Hình 2.16 : Thơng số vật liệu vùng bê tơng chịu kéo và bê tơng chịu nén ...................40
Hình 2.17: Giá trị quan hệ ứng suất – biến dạng dẻo cho cốt thép ............................... 41
Hình 2.18: Giá trị quan hệ ứng suất – biến dạng dẻo cho cốt thép .............................. 42

Hình 2.19 : Gán thuộc tính cho cấu kiên bê tơng, cốt thép .........................................42
Hình 2.20 : Gán thuộc tính cho tấm CFRP..................................................................43
Hình 2.22 : Thiết lập bước phân tích mơ hình............................................................. 44
Hình 2.23 : Gán điều kiện biên cho mơ hình.................................................................44
Hình 2.24 : Gán tải trọng cho sàn bê tơng cốt thép .......................................................45
Hình 2.25: Thiết lập phân chia các phần tử cho mơ hình ..............................................45
Hình 2.26: Thiết lập chạy mơ hình và xem kết quả ......................................................45
Hình 3.1: Mơ hình cơng trình triển khai nghiên cứu .....................................................48
Hình 3.2 : Sự hình thành vết nứt trong vùng chịu kéo của bê tông ............................... 48
Hình 3.4 : Phổ phân bố ứng suất bê tơng trong sàn ......................................................49
Hình 3.5: Biểu đồ ứng suất theo tải trọng của sàn khơng gia cố và có gia cố ..............49
Hình 3.6 : Phổ phân bố biến dạng của bê tơng trong sàn ..............................................50
Hình 3.7 : Phổ phân bố biến dạng của bê tơng trong sàn ..............................................50
Hình 3.8 : Phổ phân bố chuyển vị của bê tông trong sàn ..............................................51
Hình 3.9: Phổ phân bố chuyển vị của bê tơng trong sàn ..............................................51
Hình 3.10 : Phổ phân bố ứng suất của cốt thép trong sàn ............................................52
Hình 3.11: Biểu đồ ứng suất -tải trọng của sàn có gia cố và khơng có gia cố CFRP ..52
Hình 3.12 : Phổ phân bố biến dạng của cốt thép trong sàn ...........................................53
Hình 3.13: Biểu đồ biến dạng của thép trong sàn có gia cố và sàn khơng có gia cố ....53
Hình 3.14: Phổ phân bố chuyển vị của thép trong sàn có gia cố và sàn khơng có gia cố
.......................................................................................................................................54
Hình 3.15: Biểu đồ chuyển vị của thép trong sàn có gia cố và sàn khơng có gia cố ....54
Hình 3.16 : Phổ phân bố ứng suất-chuyển vị-biến dạngcủa CFRP khi gia cố ..............55
Hình 3.17:: Biểu đồ ƯS-BD tấm CFRP trong sàn có gia cố .........................................56


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1: Hệ số dãn nở nhiệt của tấm các tấm composite ...............................................17

Bảng 2: Thông số kỹ thuật của một số loại tấm sợi các bon .........................................18
Bảng 3: So sánh thông số kỹ thuật của tấm sợi Các bon (CFRP) với các loại thép thông
dụng trong kết cấu xây dựng hiện nay: .........................................................................19
Bảng 2.1: Thông số mô hình phá hoại dẻo. ...................................................................27
Bảng 2.2.Các hình thức tương tác sử dụng cho sàn ......................................................35
Bảng 3.3: Kết quả phần tử bê tông 1465, nút 19644 .....................................................48
Bảng 3.4: Kết quả phần tử thép 47, nút 47 ....................................................................51


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, các cơng trình bê tơng cốt thép tồn tại lâu năm và bị xuống cấp do tác
động của nhiều nguyên nhân khác nhau như tải trọng động đất, khí hậu, gió bão, hố
chất ăn mịn, sự cố làm suy giảm độ cứng, kết cấu khơng cịn đủ khả năng chịu lực hay
khơng cịn đảm bảo khả năng sử dụng bình thường nữa. Tuy nhiên, việc phá bỏ và xây
mới cơng trình lại khá đắt đỏ, cho nên việc cải tạo, nâng cấp cơng trình cũ nhằm bảo
đảm an tồn và nâng cao hiệu quả sử dụng ngày càng trở nên cấp thiết. Ngồi ra, một
số cơng trình bị hư hỏng do những sai sót trong các khâu khảo sát, thiết kế hoặc thi
công hoặc do nhu cầu thay đổi về sử dụng như cải tiến công nghệ, đổi mới thiết bị,
thay đổi công năng dẫn đến thay đổi sơ đồ kết cấu, thay đổi tải trọng và những cơng
trình có nhu cầu mở rộng như mở rộng mặt bằng, nâng thêm chiều cao, thêm tầng…
cần phải được gia cường, sửa chữa bằng các phương pháp khác nhau.
Nhiều năm trước đây, người ta đã sử dụng phương pháp gia cường sức kháng
uốn của kết cấu bằng cách dán bản thép. Trong vòng 20 năm gần đây, việc sử dụng vật
liệu gia cường cốt sợi tổng hợp (tấm composite) từ sợi các-bon CFRP đã thay thế dần
các bản thép. Vật liệu cốt sợi tổng hợp này được chế tạo từ các cốt sợi phi kim loại
cường độ cao (chiếm khoảng 70% thể tích) kết hợp với keo epoxy. Các nghiên cứu lý
thuyết và thực nghiệm trước đây về giải pháp gia cường sức kháng uốn của kết cấu với
các tấm composite được thực hiện ở nhiều nơi trên thế giới. Tuy nhiên các nghiên cứu

đó chủ yếu tập trung vào phân tích ứng xử và đề xuất phương pháp gia cường cho dầm
bê tơng cốt thép. Chưa có nhiều nghiên cứu về ứng xử của sàn bê tông cốt thép được
gia cường bởi tấm CFRP. Do đó, đề tài: “Nghiên cứu ứng xử của sàn bê tơng cốt
thép có gia cường tấm CFRP bằng phương pháp phần tử hữu hạn” nhằm nghiên
cứu hiệu quả của sàn bê tông cốt thép được gia cường tấm CFRP có ý nghĩa thực tiễn
cao và đáp ứng yêu cầu của thực tế hiện nay, đồng thời sẽ là một tài liệu quan trọng
giúp cho các đơn vị quản lý và kỹ sư có thể ứng dụng trong công tác gia cố, sửa chữa
sàn bê tông cốt thép.
2. Mục tiêu nghiên cứu
a) Mục tiêu tổng quát:
Phân tích ứng xử của sàn bê tông cốt thép được gia cường bởi tấm CFRP bằng
phương pháp phần tử hữu hạn.
b) Mục tiêu cụ thể:
Nghiên cứu ứng xử của tấm CFPR và khả năng gia cường cho kết cấu sàn bê
tông cốt thép.


2
Dùng phương pháp phần tử hữu hạn để nghiên cứu phổ ứng suất, phổ biến dạng,
chuyển vị của sàn phẳng bê tông cốt thép trước và sau khi sử dụng tấm CFRP.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Sàn bê tông cốt thép được gia cường bởi tấm CFRP.
4. Phương pháp nghiên cứu
+ Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:
- Nghiên cứu tổng quan về sự hư hỏng cơng trình và các phương pháp gia cố,
sữa chửa.
- Nghiên cứu các tính năng của vật liệu CFRP và phương pháp tính toán kết cấu
được gia cường tấm CFRP.
+ Phương pháp mô phỏng:
- Tiến hành mô phỏng sàn bê tông cốt thép được gia cường tấm CFRP bằng

phần mềm ABAQUS;
- Mô phỏng sự làm việc của sàn bê tông cốt thép thông qua việc phân tích đặc
trưng dao động, chuyển vị, nội lực của kết cấu trước và sau khi dán tấm CFRP vào sàn.
5. Kết quả dự kiến
Khảo sát tình hình hư hỏng, xuống cấp của cơng trình và các phương pháp gia
cố sửa chữa.
Phân tích được đặc trưng của kết cấu sàn bê tông cốt thép trước và sau khi gia
cường bằng tấm CFRP.
So sánh và đưa ra kiến nghị để áp dụng vào thực tế.


3

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ SỰ HƯ HỎNG CỦA CƠNG TRÌNH VÀ CÁC
PHƯƠNG PHÁP GIA CỐ, SỬA CHỮA
1.1. Tổng quan sự xuống cấp của cơng trình bê tơng cốt thép
1.1.1. Tình hình chung về sự xuống cấp của cơng trình bê tông cốt thép ở nước ta.
Bê tông cốt thép (BTCT) được phát minh và ứng dụng từ đầu thế kỷ 19 và phát
triển vượt bậc từ giữa và cuối thế kỷ 19 bởi những kỹ sư người Đức và các nghiên cứu
của các nhà khoa học trên toàn thế giới. Ở Việt Nam, bê tông cốt thép đã được người
Pháp đưa vào sử dụng ngay từ những năm cuối của thế kỷ 19. Tuy nhiên phải sau năm
1960, khối lượng cơng trình BTCT xây dựng mới tăng lên đáng kể và phát triển vượt
bậc đến thời điểm bấy giờ.
Qua hơn một thế kỷ sử dụng, độ bền (tuổi thọ) thực tế của các cơng trình bê tơng
cốt thép được các quốc gia trên thế giới đánh giá và tổng kết như sau:
- Trong mơi trường khơng có tính xâm thực, kết cấu BTCT có thể làm việc bền
vững trên 100 năm.
- Trong môi trường bị xâm thực, hiện tượng ăn mịn cốt thép và bê tơng dẫn
đến làm nứt vỡ và phá huỷ kết cấu bê tơng và BTCT có thể xuất hiện sau 10- 30 năm

sử dụng. Độ bền thực tế của kết cấu BTCT phụ thuộc vào mức độ xâm thực của môi
trường và chất lượng vật liệu sử dụng (cường độ bê tông, mác chống thấm, khả năng
chống ăn mòn, chủng loại xi măng, phụ gia, loại cốt thép, chất lượng thiết kế, thi công
và biện pháp quản lý, sử dụng cơng trình...)
Hiện nay, bên cạnh các cơng trình bền vững sau 40-50 năm, hàng loạt các cơng
trình BTCT ở Việt Nam có niên hạn sử dụng 10 ¸ 15 năm đã bị ăn mịn và phá huỷ
trầm trọng, đòi hỏi phải chi phí khoảng 40- 70% giá thành xây mới cho việc sửa chữa
bảo vệ chúng. Nhiều cơng trình nhà dân dụng và cơng nghiệp trên cả nước nói riêng và
trên tồn thế giới nói chung đang xuống cấp một cách nhanh chống. Nhiều cơng trình
hư hỏng, suy giảm công năng sử sụng và hiệu quả đầu tư. Đơn cử tại thành phố Hà
Nội, theo số liệu đánh giá tháng 11/2017 của Sở xây dựng Hà Nội có tới 603 danh mục
cơng trình đã và đang xuống cấp gây ảnh hưởng không nhỏ đến đời sống tinh thần và
vật chất của dân cư nơi đây. Cần có sự vào cuộc, đánh giá hiện trạng cơng trình và có
các biện pháp gia cố, sửa chữa nhằm giảm kinh phí và tăng khả năng sử dụng cơng
trình một các kịp thời và hiệu quả. Nhiều địa phương khác trên cả nước như thành phố
Huế, Bà Rịa Vũng Tàu, TP. Hồ Chí Minh... cùng nhiều cơng trình đã suy giảm khả
năng chịu lực có dấu hiệu hư hỏng, xuống cấp.


4

Hình 1.1. Nhà trung tâm giới thiệu việc làm tỉnh Bà Rịa-Vũng Tàu

Hình 1.2. Nhà chung cư xóm Z tỉnh Quảng Bình
1.1.2. Một số nguyên nhân gây hưu hỏng và xuống cấp của các cơng trình:
Ở mơi trường khí hậu nước ta hiện nay, các tác nhân chủ yếu của mơi trường làm ăn
mịn bê tơng và ăn mịn cốt thép trong bê tông làm hư hỏng và xuống cấp cơng trình là
tác nhân về vật lý và hóa học.
Tác nhân về cơ học (mài mòn bề mặt, phá vỡ, nổ...), vật lý (nhiệt độ, gió, đơng cứngtan chảy của nước, cháy..), hóa học (các tác nhân acid, nhiễm mặn.. ), tải trọng thay
đổi...

Khi kết cấu bê tông cốt thép bị xâm thực bởi các yếu tố môi trường như gió, nhiệt độ,
các axit trong mơi trường xung quanh hay các tác nhân khác ... thì mối liên kết giữa bê


5
tông và cốt thép quyết định đến sự làm việc của kết cấu bê tông cốt thép. Khi một
trong hai thành phần của kết cấu bị hư hại thì ảnh hưởng tới phần còn lại và ảnh hưởng
đến sự làm việc của kết cấu bê tơng cốt thép nói chung.
a. Ngun nhân ăn mịn trong bê tơng
- Ăn mịn diễn ra do sự hòa tan của các sản phẩm thủy hóa của xi măng (chủ yếu là
hydroxyt canxi và aluminat canxi ngập nước) bị hòa tan, đặc biệt hydroxyt canxi tan
mạnh nhất, do đó loại ăn mịn này gọi là q trình khử kiềm.
- Ăn mịn do axit cabonic : Sự tập trung hàm lượng dung dịch canxi hydroxit hòa tan
Ca(OH)2 trong các lỗ hỏng kết cấu BTCT là kết quả của q trình thủy hóa xi măng
giúp giữ độ pH ở ngưỡng an tồn 12-13. Q trình carbonat hóa với sự hiện diện của
CO2, nước và Ca(OH)2 tạo nên canxi cacbonat và trung hịa mơi trường kiềm trong
bêtơng: CO2  H 2O  Ca OH 2  CaCO3  2H 2O . Sau q trình trung hịa làm giảm
nồng độ pH của bê tông theo thời gian, làm vỡ màng thụ động có tác dụng bảo vệ cốt
thép (lớp màng dày 2-20 nanomét), đẩy nhanh q trình ăn mịn cốt thép, dẫn đến phá
hủy kết cấu. Quá trình ăn mòn bắt đầu khi gỉ thép xuất hiện và phát triển trên bề mặt
cốt thép và gây nứt tại những vị trí tiếp giáp với bê tơng, vết nứt phát triển dần dưới sự
tấn công của các tác nhân ăn mịn cho đến khi phá vỡ hồn tồn sự kết dính giữa
bêtơng và cốt thép (Hình 1.3). Tốc độ của q trình carbonat hóa phụ thuộc vào tác
động của các tác nhân từ mơi trường ngồi như: độ ẩm khơng khí, nhiệt độ, hàm lượng
CO2 và tính chất cơ lý của bêtông như độ kiềm và độ thẩm thấu, điều kiện lý tưởng
thúc đẩy q trình carbonat hóa hoạt động mạnh là khi độ ẩm khơng khí ở mức 6075%. Hơn nữa, tốc độ q trình carbonat hóa tăng dần khi hàm lượng CO2 trong khơng
khí và nhiệt độ tăng dần, mặt khác hàm lượng xi măng là một yếu tố quan trọng để
tăng độ kiềm và làm chậm quá trình carbonat hóa.

Hình 1.3. Sự Phá vỡ sự kết dính giữa bêtơng và cốt thép

- Ăn mịn của các axit khác: Trong số những axit vô cơ thường gặp (trừ axit cacbonic)
tác dụng lên đá xi măng và bêtông như axit clohydric, axit sunfuric, axit nitơric và các
axit hữu cơ như axit axctic, axit lactic... khi bị tác dụng của axit này đá sẽ bị phân hủy.
- Sự ăn mòn của dung dịch muối Magiê: Muối magiê cơ bản là hai loại muối MgCl2 và
MgSO4. Sự ăn mòn của loại muối này chủ yếu do chúng tương tác với hydroxyt canxi


6
có trong đá xi măng. Phản ứng chính diễn ra giữa Ca(OH)2 có trong đá xi măng với
muối Magiê như sau:
MgSO4  Ca  OH 2  2 H 2O  CaSO4 . 2 H 2O  Mg  OH 2
MgCl2  Ca  OH 2  CaCl2  Mg  OH 2

1
2

Khi bê tông càng bị thấm nhiều và hàm lượng Ca(OH)2 trong đá xi măng càng nhiều
thì sẽ tạo ra chất vô định màu trắng càng nhiều và làm cho tính chất cơ học của kết cấu
bêtơng càng bị suy giảm.
- Ăn mòn do dung dịch kiềm: Khi bê tơng ở trong dung dịch kiềm lỗng, sau đó tiếp
xúc với khơng khí, trong bêtơng sẽ bị cabonat hóa sinh ra các muối cabonat (Na2CO4)
kết tinh phá vỡ kết cấu bêtơng. Trong dung dịch kiềm đặc, tuy độ hịa tan Ca(OH)2 có
giảm đi rõ rệt, nhưng lượng OH  sinh ra lại làm cho các oxit và silicat bị hịa tan, từ
đó dẫn đến phá hoại bêtơng .
- Ăn mịn các muối sunfat: Q trình thấm ion SO42 vào bêtơng, tương tác với các sản
phẩn thủy hóa của xi măng, gây trương nở thể tích và phá hủy kết cấu.
Q trình ăn mịn diễn ra như sau: Đầu tiên là sự tương tác của MgSO4 và Ca(OH)2
theo phương trình (1). Khi mơi trường chứa muối Na2SO4, thì đầu tiên là tương tác của
sunfat Natri với hydroxyt canxi theo phương trình:
Na2 SO4  Ca  OH 2  2H 2O  CaSO4 . 2H 2O  NaOH

 3

Sản phẩm CaSO4. 2H2O được tạo thành tăng thể tích lên 2,34 lần so với hydroxyt
canxi. Sau đó tạo ra CaSO4.2H2O lại tác dụng với 3CaO.Al2O3.6H2O tạo ra
3CaO.Al2O3. .3CaSO4.31H2O loại muối này nằm trong bêtơng và làm tăng thể tích
trong bêtơng gây ra phá vỡ kết cấu bêtông .
b. Nguyên nhân gây ra ăn mịn cốt thép trong bêtơng
- Ăn mịn cốt thép trong bêtơng diễn ra dưới dạng ăn mịn điện hóa. Ở dạng ăn mòn
này các nguyên tử sắt trong cốt thép tách ra khỏi mạng lưới tinh thế và trở thành ion
mạch điện trong dung dịch, dưới tác dụng của ion OH  trong môi trường tạo ra các sản
phẩm gỉ Fe2O4.Fe(OH)2.Fe(OH)3, Fe(OH)2.H2O. Các sản phẩm này tích tụ trên bề mặt
cốt thép với thể tích gấp 4-6 lần so với thành phần ban đầu, chính vì vậy gây ra nội
ứng xuất phá hoại cấu trúc bêtông dọc theo vị trí đặt thép, làm cho tác nhân gây xâm
thực và gây ra hiên tượng ăn mịn cốt thép trong bêtơng tăng nhanh. Q trình gỉ chỉ
có thể xảy ra nếu như bêtông đủ khả năng dẫn điện nhờ một lượng ngậm nước nhất
định vì lúc này có sự phân cực cách biệt giữa catơt và anơt (Hình 1.4).


7

Hình 1.4. Sơ đồ rỉ cốt thép do quá trình điện hóa
Sự xâm nhập của ion Cl  : Quá trình xâm nhập của clorua khơng trực tiếp ăn mịn cốt
thép (trừ trường hợp phá vỡ lớp màng bảo vệ trên bề mặt cốt thép và thúc đẩy quá
trình ăn mịn phát triển), clorua đóng vai trị như một chất xúc tác cho q trình ăn
mịn BTCT. Tuy nhiên, cơ chế ăn mịn do ion clorua khác q trình carbonat hóa ở chỗ
ion clorua xâm nhập qua lớp bê tơng bảo vệ và tấn công cốt thép ngay cả khi độ pH
trong hỗn hợp vẫn ở mức cao (12-13) (Hình 1.5). Có 4 cơ chế xâm nhập của ion clorua
qua lớp bảo vệ bêtông: sự hút mao dẫn, sự thẩm thấu do tập trung hàm lượng ion
clorua cao trên bề mặt BTCT, thẩm thấu dưới áp lực căng bề mặt và sự dịch chuyển do

chênh lệch điện thế.

Hình 1.5.Cơ chế ăn mịn điện hóa thép trong bêtơng khi có mặt ion Cl 
c. Do sai sót trong q trình khảo sát thiết kế, thi cơng và sử dụng:
Trong q trình khảo sát thiết kế. Người thực hiện việc khảo sát và thiết kế chưa
tính toán đảm bảo đúng khả năng làm việc của kết cấu đến môi trường xung quanh
như sai sót trong q trình khảo sát địa chất, địa tầng gây sụt lún cục bộ... trong quá
trình thiết kế có sai sót trong tải trọng tính tốn, sai sót trong bố trí khả năng chịu lực
của kết cấu...


8
Trong q trình thi cơng và sử dụng. Đơn vị thi công không đảm bảo đúng yêu
cầu của thiết kế, trong khi đó q trình sử dụng cơng trìnhvượt q tải trọng tính tốn
cho phép của kết cấu gây ảnh hưởng đến khả năng làm việc của kết cấu như:
- Nứt do co ngót bê tơng (do khơng đảm bảo điều kiện thi công bê tông và dưỡng hộ
bê tông). Các vết nứt do co ngót xảy ra do nước bốc hơi quá nhanh khỏi bề mặt bê
tông. Điều này làm cho phần mặt trên của tấm sàn bê tông khơ nhanh hơn phần
đáy. Do đó hai mặt của sàn biến dạng khác nhau, làm sản sinh ra lực kéo lẫn nhau.
Hiện tượng này dễ xảy ra khi trời nắng, gió hoặc độ ẩm thấp

Hình 1.6. Nứt do co ngót bê tông
- Nứt bê tông do lún (khi khảo sát thiết kế chưa tính đầy đủ các trường hợp xảy ra)
Khi nền móng của cơng trình dịch chuyển sẽ gây ra hiện tượng nứt sàn, nứt tường.
Thường thì nứt do lún móng là trường hợp nghiêm trọng. Đây có thể là kết quả của
việc lu lèn nền đất chưa đủ độ chặt. Một nguyên nhân khác dẫn đến lún là do xói mịn
đất nền. Cũng có thể là do đất nền quá yếu mà bạn lại không chú ý, và bỏ qua điều
này. Ở những cơng trình nhà dân dụng có móng nơng, và có cây cối lớn xung quanh,
thì các rễ cây có thể là nguyên nhân gây nứt.

9

Hình 1.7. Nứt bê tơng do lún
1.2. Tổng quan về quá trình cải tạo, nâng cấp và chuyển đổi mục đích sử dụng
của cơng trình bê tơng cốt thép.
Trong những năm trước 1991, thực hiện chính sách bao cấp về nhà ở, cùng với
quỹ nhà tiếp quản từ chế độ cũ, Nhà nước đã đầu tư xây dựng khoảng hơn 3 triệu m2
nhà ở chung cư và các cơng trình trụ sở các cơ quan hành chính. Trong giai đoạn 1960
– 1970, các cơng trình chủ yếu là chung cư, trụ sở cơ quan hành chính từ 2 – 4 tầng, sử
dụng kết cấu tường gạch chịu lực, thi công bằng phương pháp thủ cơng; giai đoạn
1970 – 1980 ngồi loại nhà ở chung cư , trụ sở cớ quan hành chính với kết cấu tường
gạch chịu lực đã phát triển thêm loại hình nhà ở chung cư , trụ sở cơ quan hành chính
với kết cấu bê tông lắp ghép có chiều cao tối đa là 5 tầng; giai đoạn 1980-1990 phát
triển thêm loại hình nhà ở chung cư, trụ sở cơ quan hành chính với kết cấu khung bê
tông cốt thép chịu lực với chiều cao tối đa 6 tầng.
Đến nay, cả nước hiện còn gần 1.690 chung cư cũ, trụ sở hành chính cũ, tập
trung nhiều nhất ở hai đô thị trung tâm là Hà Nội và TP Hồ Chí Minh. Hà Nội có
khoảng 1.155 nhà chung cư, trụ sở hành chính cao 4-6 tầng và 10 khu thấp từ 1-3 tầng.
Trong đó, có hơn 980 chung cư, trụ sở hành chính được xây dựng trước năm 1990 và
tập trung tại các quận nội thành cũ. Tổng diện tích các chung cư này lên tới 1,7 triệu
m2 và cần được cải tạo xây dựng lại. Ngoài ra cịn các khu nhà tập thể đơn lẻ, quy mơ
nhỏ, khu nhà cơ quan hành chính nhà nước sử dụng quản lý nằm rải rác, xen kẽ trong
các khu phố. Sau nhiều năm sử dụng, do sự gia tăng dân số cùng với sự thiếu quan tâm
trong công tác quản lý dẫn đến quy hoạch, kiến trúc và chất lượng cơng trình nhà ở các
khu chung, các cơng trình trụ sở hành chính nhà nước cũng như một số công trình
cơng cộng, cơng trình dân cư cũ đã bị biến dạng và xuống cấp nghiêm trọng.


10

Quy hoạch tồn khu và hình thức kiến trúc cơng trình bị thay đổi do tình trạng
xây dựng lấn chiếm, cơi nới tự do, tùy tiện; Hệ thống hạ tầng đã bị quá tải và xuống
cấp trầm trọng gây ô nhiễm, mất vệ sinh môi trường, thiếu điều kiện sinh hoạt… cần
được sớm thực hiện cải tạo và xây mới để đảm bảo chất lượng cuộc sống và diện mạo
cảnh quan đô thị. Tuy nhiên, sau 10 năm nỗ lực thực hiện chương trình này, Hà Nội
cũng chỉ mới cải tạo, xây dựng lại được 14 nhà chung cư, trụ sở cũ. TP Hồ Chí Minh
có trên 530 chung cư được xây dựng từ trước năm 1975.
Việc cải tạo, xây dựng lại các khu chung cư, nhà ở tập thể cũng như các trụ sở
hành chính cũ trên cả nước đặc biệt tại hai thành phố lớn là Hà Nội và TP Hồ Chí
Minh còn hạn chế. Vẫn còn nhiều khu chung cư, nhà ở cũ đã hư hỏng, xuống cấp nặng
vẫn chưa được cải tạo, xây dựng lại do nhiều nguyên nhân chủ quan và khách quan, rất
cần những giải pháp tháo gỡ một cách hiệu quả trong thời gian tới.
Thời gian qua, Nhà nước và các bộ ngành liên quan, chính quyền đô thị đã ban
hành rất nhiều văn bản quy định của pháp luật nhằm hỗ trợ hành lang pháp lý và
hướng dẫn thực hiện đẩy mạnh công tác cải tạo nhà chung cư cũ. Tuy nhiên các giải
pháp vẫn chưa được đặt ra.
Trước tình hình đó, việc lựa chọn thay đổi dây chuyền công nghệ, kiến trúc
không gian, cải tạo các chung cư cũ, trụ sở hành chính, các nhà ở tập thể và cả nhà
công cộng, nhà ở riêng lẻ khu dân cư cũ cần được được cải tạo để đáp ứng việc thay
đổi về: Dây chuyền công nghệ, không gian kiến trúc, thay đổi về tải trọng.

Hình 1.8. Khu chung cư Thành Cơng, Hà Nội


11

Hình 1.9. Mặt tiền Nhà 5 tầng TP. Hồ Chí Minh cải tạo, thay đổi cơng năng

Hình 1.10. Sơ đồ kết cấu Nhà 5 tầng TP. Hồ Chí Minh được cải tạo, thay đổi
Việc thay đổi công năng, sơ đồ kết cấu cơng trình cũ là xu thế tất yếu để đảm bảo

sự làm việc hiệu quả, làm giảm chi phí đầu tư cho mục đích sử dụng mới.
Tuy nhiên việc thay đổi cơng năng sử dụng của cơng trình cần đảm bảo khả năng
chịu lực của cấu kiện, gia cố các vị trí hợp lý làm tăng khả năng chịu lực của tiết diện,
cấu kiện sau khi thay đổi sơ đồ làm việc của kết cấu.


12
Hiện nay, nhiều đơn vị thực hiện dịch vụ tư vấn và thi cơng cải tạo cơng trình bê
tơng cốt thép đã được thành lập đáp ứng nhu cầu cấp thiết của thực tế, đảm bảo về nhu
cầu về công năng sử dụng và kinh phí thực hiện cải tạo dự án. Tuy nhiên việc thay đổi
công năng sử dụng của cơng trình vẫn đang cịn khó khăn, chỉ đảm bảo một phần nhu
cầu thiết thực của cơng trình.
Vì vậy, vấn đề đặt ra cần có giải pháp gia cường, cải tạo kết cấu một cách hiện
đại, nhiều ưu điểm hơn, vượt trội hơn để đáp ứng đầy đủ các nhu cầu ngày càng cao
của cơng trình.
1.3. Các phương pháp gia cường kết cấu.
Hiện nay, có nhiều phương pháp để gia cường kết cấu bê tông cốt thép như bổ
sung một lớp bê tông đổ tại chỗ ở vùng chịu nén hoặc bê tơng cốt thép có hàm lượng
cốt thép cao ở vùng chịu kéo của mặt cắt kết cấu để gia tăng cánh tay đòn hay khoảng
cách giữa trọng tâm vùng bê tông chịu nén và trọng tâm cốt thép vùng chịu kéo. Điều
này sẽ mang lại một khả năng chịu lực uốn lớn hơn cho kết cấu. Ngoài ra, phương
pháp này thường kết hợp với việc bổ sung thêm cốt thép và phun vữa bê tông bảo vệ ở
vùng chịu kéo. Tuy nhiên, giải pháp này dẫn tới việc làm tăng đáng kể trọng lượng
cũng như chiều cao của kết cấu. Việc thi công cũng không được sạch sẽ và tạo tiếng ồn
cũng như tác động tới môi trường. Một phương pháp nổi bật nữa là việc sử dụng cáp
dự ứng lực ngồi. Theo đó, một số ụ neo được làm mới và gắn vào kết cấu cần gia
cường. Các cáp dự ứng lực ngoài được kéo và neo vào các ụ neo này. Việc gia cường
bằng phương pháp sử dụng dự ứng lực ngoài thường áp dụng cho các cấu kiện có kích
thước lớn, ví dụ như dầm cầu, sàn nhà khẩu độ lớn, và được thực hiện ở vùng chịu kéo
do lực dọc và mô men.

Để khắc phục những hạn chế trên thì phương pháp gia cường bằng phương pháp
dán tấm thép, phương pháp gia cường bằng tấm sợi thủy tinh GFRP, gia cường bằng
tấm sợi các bon CFRP dần được thay thế. Với phương pháp thi công đơn giản, vật liệu
gọn nhẹ và hiệu quả gia cường cao.
1.3.1. Gia cường bằng phương pháp dán tấm thép
Việc gia cường, sửa chữa, tăng khả năng kháng uốn bằng phương pháp dán tấm
thép đã được thực hiện từ cách đây khoảng 40 năm trước. Phương pháp này được sử
dụng trong điều kiện mặt bằng thi công rộng rãi và khi khả năng kháng uốn của kết
cấu bị suy giảm do một số nguyên nhân, tác động từ biên ngoài.
Cấu tạo và vật liệu sử dụng chính: Sử sụng tấm thép để gia cường kết hợp keo
epoxy làm chất liệu kết dính, khoan neo tấm thép vào kết cấu chịu uốn nhằm định vị
và tăng khả năng làm việc của tấm thép. Khi thực hiện cần đáp ứng các điều kiện sau:
- Tại các vị trí cần dán thép tấm, bề mặt bê tông phải mài thật phẳng để lớp thép tấm
có thể tiếp xúc đa diện tích bề mặt khi dán.


13
- Hạn chế tối đa số lượng lỗ khoan neo giữ tấm thép vào bê tơng. Vì càng khoan
nhiều, sàn bê tơng hiện trạng càng bị giảm yếu.

Hình 1.11. Gia cường sàn bê tông cố thép bằng phương pháp dán tấm thép
Ưu điểm: Thích hợp cho việc gia cường các cấu kiện chịu uốn, có hiệu quả kỹ
thuật cao,khơng làm tăng chiều cao kiến trúc của kết cấu, không làm thu hẹp tĩnh
khơng của cơng trình
Nhược điểm: Việc thi cơng phức tạp, địi hỏi rất nhiều kỹ thuật thi cơng chính
xác, giá thành thi cơng cao. Tăng tĩnh tải lên hệ kết cấu, lớp thép ngoài dễ bị rỉ.


14
1.3.2. Gia cường bằng phương pháp dán tấm sợi thủy tinh GFRP.

Trong vòng 20 năm gần đây, việc gia cường kết cấu bằng dán tấm thép được thay
thế dần bằng phương phương pháp dán tấm thủy tinh GFRP (glass fiber reinforced
polymer)
Cấu tạo và các vật liệu chính: Tấm thủy tinh GFRP được cấu tạo từ nền epoxy và
cốt sợi thủy tinh tạo nên tấm composite có lớp kết dính tạo nhám và lớp hỗn hợp
chống cháy. Bó sợi thuỷ tinh sau khi được tẩm chất kết dính sẽ chạy qua lị gia nhiệt
tại đây q trình đóng rắn hay phản ứng khâu mạch của chất kết kính sẽ sảy ra tạo
thành polyme. Sản phẩm được làm nguội và cắt thành cây có chiều dài 11.7m hoặc
thành những cuộn trịn có chiều dài 100m tuỳ theo yêu cầu
Ưu điểm: Tấm sợi thủy tinh có khả năng Chống ăn mịn trong các mơi trường
nước biển và mơi trường Axit, Kiềm. Có độ bền kéo cao. Độ dẫn nhiệt và dẫn điện
thấp. Không có từ tính.
Nhược điểm: Tấm sợi thủy tinh khơng thể uốn tại công trường, thi công phức tạp,
khả năng chịu nhiệt thấp.

Hình 1.12: Các thơng số kỹ thuật của một số tấm sợi thủy tinh
1.3.3. Gia cường bằng phương pháp dán tấm sợi các bon CFRP
Trong những năm gần đây thì việc gia cường bằng phương pháp dán tấm các bon
CFRP cho thấy nhiều ưu điểm nổi trội so với phương truyền thống (sử dụng thép tấm,
tấm sợi thủy tinh, tăng tiết diện kết cấu….). Phương pháp mới này tận dụng được ưu
điểm khả năng chịu lực rất cao của vật liệu cùng với sự tiện lợi khi thi công đã trở
thành một giải pháp rất đáng chú ý khi chọn lựa để sửa chữa, gia cố cho các công trình
bê tơng cốt thép.


15

500

Ứng suất (MPa)

1000

0

0.015

0.03

Biến dạng

Hình 1.13: Ứng suất-biến dạng của vật liệu cốt sợi các bon và sợi thủy tinh

Hình 1.14: Gia cố sàn phẳng tăng khả năng chịu uốn của sàn bằng tấm CFRP
Ưu điểm: Phương pháp gia cường bằng phương pháp dán tấm các bon CFRP có
rất nhiều ưu điểm như cường độ chịu lực cũng như mô đun đàn hồi cao hơn so với tấm
sợi thủy tinh, thi cơng đơn giản, nhanh chóng, khơng cần phải đập phá kết cấu, không
cần sử dụng ván khuôn (cốp pha), đảm bảo giữ ngun hình dạng kết cấu cũ, có tính
thẩm mỹ cao, đặc biệt là hạn chế tối đa ảnh hưởng của việc thi cơng gia cố tới sinh
hoạt bình thường của chủ cơng trình.
Nhược điểm: Việc gia cường địi hỏi độ chính xác cao, khơng phù hợp với cấu
kiện chịu nhiệt, giá thành đắt hơn so với các phương pháp khác
1.4. Phương pháp gia cường sàn bê tông cốt thép bằng tấm CFRP