Luận văn thạc sĩ đánh giá khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép được gia cường bằng tấm vải sợi cacbon (CFRP) thi công trong môi trường nước

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ VĂN MINH NGA

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU UỐN CỦA DẦM
BÊ TÔNG CỐT THÉP ĐƯỢC GIA CƯỜNG BẰNG
TẤM VẢI SỢI CACBON (CFRP) THI CÔNG
TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2019


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ VĂN MINH NGA

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU UỐN CỦA DẦM
BÊ TÔNG CỐT THÉP ĐƯỢC GIA CƯỜNG BẰNG
TẤM VẢI SỢI CACBON (CFRP) THI CƠNG
TRONG MƠI TRƯỜNG NƯỚC

Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng
Mã số: 85.80.205

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN LAN

Đà Nẵng – Năm 2019


i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng 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 khác.
Tác giả luận văn

Lê Văn Minh Nga


ii
ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU UỐN CỦA DẦM BTCT ĐƯỢC GIA CƯỜNG
BẰNG TẤM VẢI SỢI CACBON (CFRP) THI CÔNG TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC

Học viên: Lê Văn Minh Nga, chuyên ngành: Kỷ thuật XDCT giao thơng.
Mã số: 85.80.205 Khóa K36.XGT. Trường Đại học Bách Khoa - ĐHĐN.
Vật liệu cốt sợi cường độ cao dính bám ngồi (vật liệu FRP) kết hợp keo epoxy đã được áp dụng
rộng rãi thế thế giới từ giữa những năm 1980 ở cả Châu Âu, Mỹ, Canada, Úc và Nhật Bản nhờ có
cường độ cao, khả năng chống ăn mòn tốt. Vật liệu này đang bắt đầu nghiên cứu sử dụng tại Việt Nam
để sửa chữa tăng cường khả năng chịu lực cho kết cấu BTCT và một số lĩnh vực khác. Do ưu điểm
cường độ chịu kéo cao và khơng bị ăn mịn trong mơi trường xâm thực FRP có thể được sử dụng để
vừa bảo vệ vừa gia cường kết cấu BTCT ngập trong nước. Luận văn này nghiên cứu cơ sở tính tốn
thiết kế dầm BTCT được gia cường bằng tấm vải sợi các bon (CFRP) kết hợp chất dính bám là keo
Epoxy. Qua thực nghiệm kết hợp sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn ATENA để phân tích, đánh giá,
so sánh được khả năng chịu uốn của dầm BTCT thường, dầm BTCT gia cường tấm vải sợi cabon

CFRP (thi công trên khô và trong môi trường nước). Phần mềm ATENA là phần mềm chuyên về phân
tích kết cấu BTCT phi tuyến làm việc trong giai đoạn đàn hồi cũng như giai đoạn xuất hiện và phát
triển các vết nứt đến khi phá hoại dầm.
Để kiểm chứng ứng xử khả năng chịu uốn của dầm BTCT được gia cường bằng tấm vải sợi
cacbon (CFRP), một chương trình thực nghiệm được thực hiện bao gồm: chế tạo 06 dầm BTCT, kích
thước (150x150x2500) mm. Trong đó 02 dầm khơng gia cường, 04 dầm gia cường bằng tấm vải sợi
cacbon (02 dầm thi công trên khô và 02 dầm thi công trong nước). Tiến hành thí nghiệm phá hoại dầm,
trong q trình thí nghiệm dầm, các đại lượng biến dạng, độ võng, bản đồ vết nứt, kích thước vết nứt
được đo đạt theo các cấp tải đến khi dầm bị phá hoại. Kết quả nghiên cứu cho thấy, ứng xử dầm theo
thực nghiệm khá phù hợp với tiêu chuẩn thiết bê tông cốt thép của ACI và kết quả phân tích bằng phần
mềm phần tử hữu hạn ATENA.
Từ khóa: Phần tử hữu hạn (PTHH), vật liệu sợi polymer (FRP), Bê tông cốt thép, bảo vệ bê tông, keo
epoxy.

ASSESSMENT OF CRIMPING CAPACITY OF REINFORCED CONCRETE BEAM
REINFORCED WITH CFRP CONSTRUCTION IN WATER ENVIRONMENT
Abstract The high-strength fiber-reinforced external bonded (FRP material) combined with epoxy
resin has been widely used in the world since the mid-1980s in Europe, USA, Canada, Australia and
Japan thanks to the high strength and good corrosion resistance. This material is beginning to be
researched and used in Vietnam to repair and strengthening the reinforced concrete structure and some
other fields. Due to the advantage of high tensile strength and no corrosion in aggressive environments
the FRP is used to strengthening and protect concrete structure that flooded in water. This thesis
studies the basis of calculating the reinforced concrete beam design with carbon fiber fabric (CFRP)
combined with epoxy resin. Through combined experiments and using ATENA finite element software
to analyze, evaluate and compare the bending resistance of normal reinforced concrete beams,
reinforced concrete beams by CFRP (construction on dry and in lips water). ATENA software is a
software specializing in analyzing nonlinear reinforced concrete structures working in the elastic phase
as well as the stage of appearance and development of cracks until damaging.
In order to verify the flexural behaviors of reinforced concrete beams reinforced with CFRP, an
experimental program was implemented including manufacturing 06 reinforced concrete beams, size

(150x150x2500) mm. Of which 02 beams are not reinforced, 04 beams are reinforced with CFRP (02
beams constructed on dry and 02 beams constructed in the water). Conducting beam damage test,
during beam testing, strain quantities, deflection, crack map, crack size are measured according to the
load levels until the beam is damaged. The results show that the experimental beam behavior is quite
consistent with ACI's reinforced concrete design standards and analysis results using ATENA finite
element software.
Key words: Finite element (PTHH), Fiber reinforced polymer (FRP), reinforced concrete, concrete
protect, Epoxy resin.


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN...................................................................................................................................... i
MỤC LỤC.................................................................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT............................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................................................... v
DANH MỤC CÁC HÌNH................................................................................................................... vi
MỞ ĐẦU...................................................................................................................................................... 1
1.Lý do chọn đề tài...................................................................................................................... 1
2.Mục tiêu nghiên cứu của đề tài............................................................................................ 1
3.Đối tượng nghiên cứu............................................................................................................. 1
4.Phương pháp nghiên cứu....................................................................................................... 1
5.Bố cục đề tài............................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC DẠNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP
TIẾP XÚC VỚI MÔI TRƯỜNG NƯỚC..................................................................................... 3
1.1. CÁC DẠNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP TIẾP XÚC VỚI MÔI
TRƯỜNG NƯỚC................................................................................................................................. 3
1.2. CÁC DẠNG HƯ HỎNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP TIẾP XÚC VỚI
MÔI TRƯỜNG NƯỚC...................................................................................................................... 4

1.3. CÔNG NGHỆ BẢO VỆ, GIA CƯỜNG KẾT CẤU BÊ TƠNG CỐT THÉP
BẰNG CFRP.......................................................................................................................................... 6
1.3.1. Đặc tính vật lý của vật liệu FRP.............................................................................. 10
1.3.2. Đặc tính cơ lý của vật liệu FRP............................................................................... 10
1.3.3. Ứng xử của vật liệu FRP phụ thuộc vào thời gian:.......................................... 13
1.3.4. Chất lượng vật liệu FRP:............................................................................................ 14
1.3.5. Một số công nghệ thi công vật liệu FRP:............................................................. 14
1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1....................................................................................................... 16
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ KẾT CẤU BTCT GIA CƯỜNG17
BẰNG CFRP............................................................................................................................................ 17
2.1. THIẾT KẾ KẾT CẤU BTCT GIA CƯỜNG CFRP..................................................... 17
2.1.1. Các yêu cầu cơ bản để thiết kế tăng cường khả năng chịu lực cho kết cấu
bê tông......................................................................................................................................................... 17
2.1.2. Đánh giá các đặc trưng cơ lý của vật liệu FRP trên thị trường Việt Nam
theo tiêu chuẩn ACI440.2R-08 và tiêu chuẩn BD 90/05.......................................................... 21
2.2. TÍNH TỐN SỨC KHÁNG UỐN DẦM BTCT GIA CƯỜNG CFRP...............24
2.2.1. Cơ sở lý thuyết tính tốn sức kháng uốn dần BTCT gia cường CFRP.....24
2.2.2. Ví dụ tính tốn sức kháng uốn dầm BTCT gia cường CFRP....................... 35
2.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2....................................................................................................... 39


iv
CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM DẦM BTCT GIA CƯỜNG CFRP DÁN DƯỚI
NƯỚC.......................................................................................................................................................... 40
3.1. CHƯƠNG TRÌNH THỰC NGHIỆM................................................................................ 40
3.1.1. Chế tạo mẫu dầm BTCT cho thí nghiệm.............................................................. 40
3.1.2. Trình tự thực nghiệm dầm:........................................................................................ 40
3.1.3. Sơ đồ thực nghiệm nén dầm...................................................................................... 43
3.1.4. Kết quả thí nghiệm........................................................................................................ 43
3.2. TRÌNH TỰ MƠ PHỎNG PHẦN MỀM PHẦN TỬ HỮU HẠN ATENA..........51

3.3. KẾT QUẢ TỪ MÔ PHỎNG PHẦN MỀM ATENA CHO DẦM BÊ TÔNG
THƯỜNG VÀ BÊ TÔNG CỐT THÉP GIA CƯỜNG CFRP........................................... 58
3.4. PHÂN TÍCH, BÀN LUẬN KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM........................................ 60
3.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG........................................................................................................... 62
3.6. MỘT SỐ HÌNH ẢNH THỰC NGHIỆM......................................................................... 63
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.......................................................................................................... 71
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (BẢN SAO)


v

DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu bảng
1.1.
1.2.
1.3.
2.1.

2.2.

2.3.
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
3.5.
3.6.

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu
hình
1.1.

Cầu bê tơng

1.2.

Bến cảng, bế

1.3.

Hư hỏng do

1.4.

Bị hư hỏng d

1.5.

Hư hỏng do

1.6.

Hư hỏng do

1.7.

Hư hỏng do

1.8.

Hư hỏng do

1.9

Các loại sản

1.10.

Tăng cường

2.1.

Mơ hình ứng

sử dụng tron

2.2.

Bê tơng bị p

2.3.

Bê tông bị p

2.4.

Phá họi do u

2.5.

Phá hoại do

2.6.

Vật liệu FRP

2.7.

Phá hoại do

2.8.

Phá hoại do

2.9.

Mơ hình ứng

2.10.

Mơ hình ứng

2.11.

Ứng suất τc

dụng F


2.12.

2.13.

2.14.

2.15.

Bố trí phươn
cột

Bố trí phươn

cho sàn, dầm

Phạm vi bố t
dầm.
Sơ đồi khối

năng chịu lự

2.16.

Mơ hình tính

2.17.

Giá trị biến d


vii
Số hiệu
hình
2.18.

Mơ hình tính

2.19.

Mơ hình tính

2.20.

Mơ hình tính

3.1.

Bản vẽ thiết

3.2.

Kê và dán cá

3.3.

Lắp đặt kích

3.7.

Biểu đồ qua

3.8.

Biểu đồ qua

3.9.

Biểu đồ qua

3.13.

Biểu đồ qua

3.14.

Biểu đồ qua

3.15.

Biểu đồ qua

3.16.

3.17.

3.18.

3.19.

3.20.

3.21.

Biểu đồ qua

tông thường

Biểu đồ qua

CFRP sử dụ

Biểu đồ qua

BTCT sử dụ

Biểu đồ qua

BTCT CFRP

Biểu đồ qua
nghiệm

Biểu đồ qua
nghiệm


viii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ACI
BTCT
CFRP
FRP
GFRP
PTHH

: Viện bê tông Hoa Kỳ
: Bê tông cốt thép
: Cốt sợi cac bon
: Cốt sợi poolymer (Fiber reinforced Polymer)
: Cốt sợi thủy tinh
: Phần tử hữu hạn


1

MỞ ĐẦU
1.

Lý do chọn đề tài

Theo thời gian kết cấu BÊ TÔNG CỐT THÉP bị xuống cấp do tải trọng và các tác
động mơi trường. Các kết cấu BÊ TƠNG CỐT THÉP dưới mực nước thường có tốc độ
xuống cấp nhanh hơn đặc biệc là kết cấu tiếp xúc với mơi trường nước có chứa các yếu tố
ăn mịn cao. Hiện tại nhiều kết cấu bê tông dưới nước công trình cũ như cầu cảng, kè
sơng, kết cấu phần dưới cầu vượt sông, …đã xuống cấp hư hỏng cần được sửa chữa bảo
vệ để tiếp tục duy trì cơng năng. Hiện có rất nhiều biện pháp sửa chữa, bảo vệ kết cấu BÊ

TÔNG CỐT THÉP dưới nước, đa số các giải pháp cần có vịng vây hút nước để thi công
sửa sữa chữa kết cấu như trên cạn. Kết cấu vịng vây làm tăng chi phí và thời gian thi công
khá lớn. Trong thời gian gần đây vật liệu compostite đã được ứng dụng tại Việt Nam để
sửa chữa, gia cường kết cấu BÊ TÔNG CỐT THÉP trên cạn, tuy nhiên sử dụng vật liệu
compostite và keo epoxy thi công trong mơi trường nước hoặc mơi trường ẩm ướt cịn
đang được tiếp tục nghiên cứu áp dụng về công nghệ thi cơng và phân tích thiết kế.
Trong khn khở một luận văn thạc sĩ ứng dụng, học viên lựa chọn đề tài: “Đánh giá
khả năng chịu uốn của dầm BÊ TÔNG CỐT THÉP được gia cường bằng tấm vải sợi
cacbon (CFRP) thi cơng trong mơi trường nước” có tính ứng dụng thực tiễn và cần thiết.
2.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Đề tài nghiên cứu đánh giá khả năng chịu uốn dầm BÊ TÔNG CỐT THÉP được
gia cường bằng tấm vải sợi cacbon (CFRP) và keo eboxy thi công trong môi trường
nước.
3.

Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu ổn kết cấu dầm BÊ TÔNG CỐT THÉP được gia cường bằng tấm vải
sợi cacbon (CFRP) và keo eboxy thi công trong môi trường nước.
4.

Phương pháp nghiên cứu

Thu thập các tài liệu của các tác giả trong, ngồi nước có liên quan đến đề tài,
nghiên cứu, phát triển lý thuyết và phục vụ đề tài.
Xây dựng các trường hợp thay đổi môi trường tác động kết hợp kèm theo giải
pháp xử lý tương ứng với mỗi kịch bản. Từ đố so sánh kết quả thu được từ các kịch

bản.
5.

Bố cục đề tài

Ngoài phần mở đầu, kết luận, luận văn gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan các dạng kết cấu BÊ TÔNG CỐT THÉP tiếp xúc với môi
trường nước


2
Chương 2: Cơ sở lý thuyết thiết kế kết cấu BÊ TÔNG CỐT THÉP gia cường
bằng CFRP
Chương 3: Thực nghiệm dầm BÊ TÔNG CỐT THÉP gia cường CFRP dán dưới
nước


3

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN CÁC DẠNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP TIẾP XÚC
VỚI MÔI TRƯỜNG NƯỚC
1.1. CÁC DẠNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP TIẾP XÚC VỚI MÔI
TRƯỜNG NƯỚC
o

o

Việt Nam là đất nước có đường bờ biển dài hơn 3.200 Km, từ 8 37’ đến 21 32’,
đối với mạng lưới sơng ngịi ở Việt Nam thì vơ cùng phong phú và đầy tiềm năng với

tổng chiều dài hơn 41.900 Km. Sau năm 1960 thì số lượng cơng trình làm việc trực
tiếp (thường xuyên) trong môi trường nước tăng đáng kể, theo kết quả khảo sát của các
cơ quan nghiên cứu trong nước như Viện Khoa học công nghệ xây dựng, viện KH vật
liệu, viện khoa học thủy lợi, viện khoa học GTVT, trường Đại học Bách khoa Đà
Nẵng, … thì tình trạng suy giảm t̉i thọ cơng trình bê tơng và bê tông cốt thép làm
việc trong môi trường nước đáng để quan tâm. Thực tế có hơn 50% bộ phận kết cấu bê
tông và bê tông cốt thép bị ăn mòn, hư hỏng hoặc bị phá hủy chỉ sau 10-30 năm sử
dụng. Hầu hết các kết cấu này trong quá trình làm việc đều tiếp xúc trực tiếp với mơi
trường khơng khí và nước (biển hoặc sơng). Giữa vật liệu và môi trường luôn xảy ra
các tác động qua lại và bản thân bê tông luôn thay đổi trạng thái cấu trúc.
Các dạng cơng trình bê tơng và bê tông cốt thép thường làm việc trực tiếp trong
môi trường nước thường gặp như: Mố, trụ cầu, cống, tràn, đê đập, tường chắn sóng,
cầu cảng, kè sơng, kè biển, kết cấu chỉnh dịng, ….

Hình 1.1. Cầu bê tơng cốt thép


4

Hình 1.2. Bến cảng, bến neo đậu thuyền
1.2. CÁC DẠNG HƯ HỎNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP TIẾP XÚC VỚI
MƠI TRƯỜNG NƯỚC
Tác động xâm thực của mơi trường nước tác động tới độ bền của cơng trình bê
tơng và bê tơng cốt thép chủ yếu do các q trình sau:
- Q trình cácbonnát hóa làm giảm nồng độ pH của bê tông theo thời gian, làm
vỡ màng thụ động có tác dụng bảo vệ cốt thép, đẩy nhanh quá trình ăn mịn cốt thép
dẫn đến phá hủy kết cấu.
2-

- Q trình thấm ion SO4

vào bê tơng, tương tác với các sản phẩm thủy hóa của
xi măng tạo ra khống Ettiringit trương nở thể tích gây phá hủy kết cấu (Ăn mịn
Sunfat).
-

- Q trình khuếch tán oxy, ion Cl và hơi ẩm vào bê tông trong điều kiện nhiệt

độ không khí cao.
- Q trình ăn mịn vi sinh vật, ăn mịn cơ học do sóng, ăn mịn rửa trơi.


5

Hình 1.3. Hư hỏng do bị ăn mịn, ơ xy hóa

Hình 1.4. Bị hư hỏng do ăn mịn, xói lở tại trụ

Hình 1.5. Hư hỏng do nứt


6

Hình 1.6. Hư hỏng do chuyển vị

Hình 1.7. Hư hỏng do bị ăn mịn

Hình 1.8. Hư hỏng do bị xâm thực
1.3. CÔNG NGHỆ BẢO VỆ, GIA CƯỜNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP
BẰNG CFRP

Giải pháp tăng cường khả năng chịu lực kết cấu bê tông (bê tông cốt thép, bê
tông dự ứng lực) bằng cách sử dụng vật liệu cốt sợi cường độ cao dính bám ngồi (tên
tiếng Anh là Fibre Reinforced Polymer (FRP)), gọi tắt là vật liệu FRP, đã được áp


7
dụng rộng rãi trên thế giới từ giữa những năm 1980 ở cả Châu Âu, Mỹ, Canada, úc và
Nhật Bản.
Tại Châu Âu, vật liệu FRP được phát triển để thay thế phương pháp tăng cường
khả năng chiu lực kết cấu bê tông bằng phương pháp dán bản thép. Phương pháp dán
bản thép trong vùng chịu kéo của bê tông được gọi là kỹ thuật khả thi để tăng sức
kháng uốn cho kết cấu bê tông (Fleming và King 1967). Kỹ thuật này đã được sử dụng
để tăng cường nhiều công trình cầu và các tịa nhà trên khắp thế giới. Tuy nhiên sau
một thời gian sử dụng bản thép dán thêm bên ngồi kết cấu cũ có thể bị ăn mòn và làm
giảm khả năng chịu lực đáng kể. Mặt khác kỹ thuật dán bản thép là khó thi cơng tại
những địa điểm có diện tích chật hẹp. Các nhà nghiên cứu đã xem xét đến vật liệu RFP
là một thay thế cho bản thép dán. Các nghiên cứu về ứng dụng RFP để tăng cường khả
năng chịu lực kết cấu bê tông đã được báo cáo vào đầu năm 1978 tai Đức (Wolf và
Miessler 1989), tại Thụy Sĩ (Meier 1987; Rostasy 1987). Tại Nhật Bản hệ thống RFP
lần đầu tiên được áp dụng để tăng cường khả năng chịu động đất của kết cấu cũ và
những năm 1980 (Fardis và Khalili 1981; Katsumat et al 1987), đạc biệt sau trận động
đất Hyogoken-Nanbu 1995 (Nanni 1995).
Các nhà nghiên cứu ở Mỹ đã có các kết quả nghiên cứu ứng dụng cốt sợi tăng
cường cho kết cấu bê tông từ những năm 1930. Tuy nhiên, bắt đầu vào những năm
1980 thông qua các sáng kiến của Quỹ khoa học quốc gia (NSF) và chính quyền liên
bang (FHWA). Các hoạt động nghiên cứu đã dẫn đến việc xây dựng Tiêu chuẩn kỹ
thuật và Chỉ dẫn thiết kế ACT 440R và các báo cáo khoa học. Sự phát triển của các
quy tắc và tiêu chuẩn cho hệ thống vật liệu RFP dính bám ngoài được thực hiện tại
Châu Âu, Nhật Bản, Canada và Hoa Kỳ. Trong vòng 10 năm qua, Hội kỹ sư xây dựng
Nhật Bản (JSCE), Viện bê tông Nhật Bản (JCJ) và Viện nghiên cứu kỹ thuật đường sắt

đã công bố một số tài liệu, chỉ dẫn kỹ thuật liên quan đến việc sử dụng vật liệu FRP
trong tăng cường khả năng chiu lực của kết cấu bê tông.
Tại Châu Âu, Liên đồn quốc tế về kết cấu bê tơng (FIB) đã công bố chỉ dẫn thiết
kế ứng dụng hệ thống vật liệu FRP dính bám ngồi trong tăng cường khả năng chịu lực
của kết cấu bê tông cốt thép.
Fibre Reinforce Polymer (FRP) là vật liệu composite bao gồm cốt sợi gia cường
độ cao (sợi carbon, sợi Aramid hoặc sợi thủy tinh) kết hợp với chất kết dính. Khi nói
đến FRP chúng ta phải xem xét đó là vật liệu Composite bao gồm các chất kết dính và
sợi làm việc đồng thời chứ không được xét sợi riêng và chất kết dính riêng.
Hệ thống vật liệu FRP chủ yếu bao gồm hệ thống dán ướt (hệ thống vải) và hệ
thống tấm chế tạo sẵn. Hệ thống vật liệu FRP có thể được phân loại dựa trên các cách
thức vận chuyển đến địa điểm xây dựng và lắp đặt. Hệ thống vật liệu FRP nên được
lựa chọn dựa trên loại kết cấu cần tăng cường khả năng chịu lực (kết cấu thép, kết cấu
bê tơng, kết cấu đá xây, gạch xây, …).
Có 03 dạng hệ thống FRP phổ biến hiện nay:


8
- FRP tẩm chất kết dính trước, loại này gồm các kiểu: Tấm sợi đơn hướng tẩm

chất kết dính trước mà các sợi chủ yếu chạy theo một hướng trên mặt phẳng; Tấm sợi
đa hướng tẩm chất kết dính trước mà các sợi được định hướng trong ít nhất hai hướng
trên một mặt phẳng; Bó sợi tẩm chất kết dính trước được cuộn hoặc thi công bằng máy
trên bề mặt bê tơng.
- FRP đóng rắn trước, loại này gồm các kiểu phổ biến: Tấm đơn hướng, thường
được chuyển đến địa điểm dưới dạng các tấm phẳng lớn hoặc như những dải mỏng
được cuộn thành một cuộn; Tấm đa hướng, thường được chuyển đến địa điểm dưới
dạng cuộn; Tấm lớn, thường được chuyển đến đại điểm dưới dạng các phân đoạn đã
được cắt theo chiều dọc để giúp chúng có thể được mở ra và lắp đặt xung quanh các
cột hoặc các cấu kiện khác nhau, nhiều vật liệu FRP được liên kết dính bám với nhau

nhằm tăng khả năng chống động đất.
- FRP dạng thanh cường độ cao (NSM), loại này gồm 2 kiểu phở biến: Các thanh
trịn được sản xuất bằng cách sử dụng biện pháp đúc ép, thường được chuyển đến cơng
trường dưới hình thức các thanh đơn hoặc một cuồn tùy vào đường kính thanh; Các
thanh hình chữ nhật và các tấm thường được sản xuất bằng cách sử dụng biện pháp
đúc ép, thường được chuyển đến công trường dưới dạng cuộn.
Thành phần cấu tạo của vật liệu FRP hiện nay bao gồm: Chất kết dính (chất kết
dính nền, chất kết dính độn, chất kết dính bão hòa); Cốt sợi cường độ cao (sợi carbon,
sợi thủy tinh, sợi aramid) và lớp phủ bảo vệ.

Dạng tấm

Dạng cuộn

Dạng chế tạo sẵn
Dạng thanh
Hình 1.9. Các loại sản phẩm của vặt liệu FRP

Dạng băng


9

Hình 1.10. Tăng cường khả năng chịu lực kết cấu BTCT bằng vật liệu CFRP


10
1.3.1. Đặc tính vật lý của vật liệu FRP
Tỷ trọng: Vật liệu FRP có tỷ trọng chênh lệch nhau từ 1,2 đến 2,1 g/cm3, thấp
hơn 4-6 lần so với thép. Tỷ trọng thấp đẫn đến chi phí vận chuyển thấp hơn, làm giảm

tĩnh tải chất lên thêm kết cấu, và có thể dễ dàng thi cơng thủ cơng ngồi cơng trường.
Hệ số dãn nở nhiệt: Hệ số dãn nở nhiệt của vật liệu FRP đơn hướng khác nhau
theo chiều dọc và chiều ngang, tùy thuộc vào từng loại sợi, chất kết dính và trọng
lượng của sợi. Lưu ý hệ số dãn nở nhiệt có số âm, ý nghĩa của nó chỉ ra rằng vật liệu
co lại khi nhiệt độ tăng và giản ra khi nhiệt độ giảm. Khác với các loại vật liệu khác,
vật liệu FRP có xu hướng dãn, nở nhiệt ngược lại.
Ảnh hưởng của nhiệt độ cao: Khi nhiệt độ vượt qua nhiệt độ biến đổi trạng thái
Tg, mô đun đàn hồi của vật liệu FRP bị giảm đáng kể do sự thay đổi cấu trúc phân tử
của nó. Giá trị Tg dựa vào các loại chất kết dính nhưng thường nằm trong khoảng
600C-820C. Trong vật liệu FRP, thì vật liệu sợi có đặc tính tốt hơn so với chất kết
dính, có thể tiếp tục chịu một số tải trong theo phương dọc cho đến khi đạt tới nhiệt độ
tới hạn của sợi. Điều này có thể xảy ra ở nhiệt độ 10000C đối với sợi cacbon và 1750C
cho sợi Aramid. Sợi thủy tinh có khả năng chống lại nhiệt độ tới 2750C. Tuy nhiên do
sự suy giảm sự truyền lực giữa các sợi thông qua liên kết với chất kết dính, đặc tính
chịu kéo của tất cả các vật liệu FRP bị giảm xuống. Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng
ở nhiệt độ 2500C, cao hơn rất nhiều so với nhiệt độ Tg của chất kết dính, sẽ làm suy
giảm độ bền kéo của vật liệu GFRP và CFRP lớn hơn 20%. Mặt khác các đặc tính bị
ảnh hưởng bởi việc truyền lực thông qua chất kết dính, cũng bị giảm đáng kể ở nhiệt
độ thấp hơn. Đối với ứng dụng của hệ thống vật liệu FRP, dính bám có tính chất rất
quan trọng, đặc tính của Polyme tại bề mặt giữa sợi và bê tông là rất cần thiết cho việc
duy trì tính dính bám giữa FRP và bê tông. Tuy nhiên ở nhiệt độ gần với Tg, các đặc
tính cơ học của Polyme giảm đáng kể và Polyme bắt đầu mất khả năng truyền ứng xuất
từ bê tơng tới sợi.
1.3.2. Đặc tính cơ lý của vật liệu FRP
Tỷ lệ thành phần vật liệu sợi: Chất lượng thi công vật liệu FRP phụ thuộc chủ
yếu tay nghề của công nhân và bộ phân trực tiếp thi cơng, quản lý thi cơng và kiểm
sốt chất lượng. Chiều dày, cường độ và mô đun đàn hồi của lớp vật liệu FRP phụ
thuộc và tỷ lệ sợi / chất kết dính.
Ứng xử kéo của vật liệu FRP: Khi tải trọng tác dụng theo phương chịu kéo, vật
liệu FRP đơn hướng không thể hiện bất kỳ ứng xử dẻo nào trước khi đứt gãy. Ứng xử

kéo của vật liệu FRP được đặc trưng bởi mối quan hệ tuyến tính giữa ứng suất và biến
dạng cho đến khi bị phá hoại, phá hoại xảy ra đột ngột và giòn; Cường độ chịu kéo và
độ cứng của vật liệu FRP phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Do sợi là bộ phận chịu tải chính
của vật liệu FRP, loại sợi, hướng của sợi, số lượng sợi và các biện pháp và điều kiện
sản xuất đều ảnh hưởng đến cường độ chịu kéo của vật liệu FRP. Có 02 phương pháp


11
tính tốn: phương pháp tính tốn dựa trên diện tích thực của sợi hoặc dựa trên tởng
diện tích của vật liệu FRP. Kết quả thí nghiệm với vật liệu đã đóng rắn, cường độ và
biến dạng phá hoại tới hạn đo được của sợi đối với diện tích thực thường thấp hơn so
với các giá trị đo được khi thí nghiệm với sợi khơ. Do đó để đảm bảo an tồn, đặc tính
kỹ thuật của vật liệu FRP nên được tính tốn như một vật liệu liên hợp (composite) của
hệ sợi và chất kết dính làm việc đồng thời. Đặc tính cơ học của tất cả các hệ thống vật
liệu FRP, bất kể loại mẫu nào, nên dựa trên các thí nghiệm sợi và chất kết dính làm
việc đồng thời với hàm lượng sợi đã biết.
Ứng xử nén của vật liệu FRP: Hệ thống vật liệu FRP dính bám ngồi không nên
được sử dụng để tăng cường độ vùng chịu nén trừ khi có các thí nghiệm tin cậy. Kết
qua thí nghiệm của các tấm vật liệu FRP sử dụng để gia cố bê tông chỉ ra rằng cường
độ chịu nén của vật liệu FRP thì thấp hơn cường độ chịu kéo. Dạng phá hoại của tấm
vật liệu FRP bị nén theo chiều dọc có thể bao gồm sự phá hoại kéo ngang, phá hoại
mất ổn định cục bộ của sợi, hoặc phá hoại cắt. Dạng phá hoại phụ thuộc vào loại sợi,
hàm lượng sợi và các loại chất kết dính. Nhìn chung cường độ chịu nén của vật liệu
nào có cường độ chịu kéo cao thì sẽ có cường độ chịu nén cao, ngoại trừ trường hợp
của AFRP, do các sợi biểu thị ứng xử khơng tuyến tính khi chịu nén ở các giá trị ứng
suất tương đối thấp. Vật liệu FRP có mơ đun nén đàn hồi thường nhỏ hơn so với mô
đun kéo đàn hồi. Theo các kết quả thí nghiệm, mơ đun đàn hồi nén là khoảng 80% cho
GFRP, 85% cho CFRP và 100% cho AFRP của mô đun đàn hồi cho các mẫu thử giống
nhau (theo báo cáo của Ehsani năm 1993).
Tính bền của vật liệu FRP: Nhiều hệ thống vật liệu FRP thể hiện tính chất cơ học

giảm sau khi tiếp xúc với một số yếu tố môi trường, bao gồm cả nhiệt độ cao, độ ẩm và
tiếp xúc với hóa chất. Sự tiếp xúc của môi trường, thời gian tiếp xúc, loại chất kết
dính, loại sợi và phương pháp đóng rắn của chất kết dính là một trong những yếu tố
ảnh hưởng đến mức độ giảm tính chất cơ học. Những thuộc tính chịu kéo được đưa ra
bởi nhà sản xuất là dựa trên thử nghiệm được tiến hành trong mơi trường phịng thí
nghiệm và khơng phản ảnh tác động của sự tiếp xúc với mơi trường. Các thuộc tính
này cần được điều chỉnh triết giảm trong tính tốn cho mơi trường làm việc dự kiến mà
hệ thống vật liệu FRP tiếp xúc.


12
Bảng 1.1. Các đặc trưng cơ học cốt sợi
Cốt sợi

Aramid
Thủy tinh
Loại E
Loại A
Loại C
Loại S
Carbon
Tiêu chuẩn
Cường độ cao
Môđun cao
Môđun cực lớn
Bảng 1.2. Các đặc trưng cơ học của chất nền
Chất nền

Polyester
Epoxy

Vinylester
Phenolic
Bảng 1.3. Một số đặc trưng tiêu biểu của hệ thống tấm sợi FRP
Hệ thống FRP
Tấm Tyfo SEH51
Tấm Tyfo SCH41
Tấm Hex 100G
Tấm Hex 103C
Tấm Carbodur S
Tấm Carbodur M
Tấm Carbodur H
Tấm Mbrace EG 900
Tấm Mbrace AK 60
Mbrace CF 130
Mbrace CF 160


13
1.3.3. Ứng xử của vật liệu FRP phụ thuộc vào thời gian:
- Từ biến co ngót của vật liệu FRP:

Vật liệu RFP khi chịu một tải trọng không đổi theo thời gian có thể bị phá hoại
đột ngột sau một khoảng thời gian nhất định. Loại phá hoại này thường do tải trọng từ
biến – co ngót. Hệ số của ứng suất kéo dài hạn và cường độ tức thời của tấm vật liệu
RFP tăng, thời gian chịu tải giảm. Thời gian chịu tải cũng sẽ giảm đi dưới tác dụng của
điều kiện môi trường bất lợi, như là nhiệt độ cao, tiếp xúc với tia cực tím, khí hậu khơ
ẩm theo chu kỳ, hoặc chu kỳ đóng và tan băng.
Nói chung, sợi cacbon là sợi ít ảnh hưởng bởi từ biến co ngót nhất, sợi Aramid có
ảnh hưởng nhiều hơn sợi cacbon và sợi thủy tinh là bị ảnh hưởng nhiều nhất. Thí
nghiệm từ biến co ngót đã thực hiện với vật liệu RFP với sợi cacbon, Aramid và thủy

tinh. Các tấm vật liệu FRP được thí nghiệm với các cấp tải trọng khác nhau ở trong
nhiệt độ phòng thí nghiệm. Kết quả chỉ ra rằng mối quan hệ tuyến tính hiện tại giữa
cường độ từ biến – co ngót và loga của thời gian đối với tất cả cấp tải trọng. Giá trị
ứng suất dài hạn giới hạn trong thiết kế tăng cường kết cấu để tránh xảy ra từ biến – co
ngót là rất quan trọng. Ứng suất dài hạn của vật liệu RFP phải nhỏ hơn giới hạn ứng
suất do từ biến, ngoài ra cường độ của vật liệu FP phải đáp ứng được các yêu cầu của
tải trọng ngắn hạn.
- Độ bền mỏi của vật liệu FRP:
Một số lượng đáng kể các báo cáo về hiện tượng mỏi và dự đốn t̉i thọ của vật
liệu FRP đã được nghiên cứu. Hầu hết các vật liệu này được lấy từ các vật liệu thường
được sử dụng cho ngành hàng khơng, vũ trụ. Mặt khác có sự khác biệt về chất lượng
và tính nhất quáng giữa hàng không vũ trụ và vật liệu FRP đã được thực hiện. Trừ khi
có các quy định cụ thể khác, các trường hợp sau đây được xem xét dựa trên một loại
vật liệu đơn hướng gồm 60% khối lượng sợi và đối tượng chịu kéo – chu kỳ lực kéo
tăng theo dạng hình sin.
Các thí nghiệm cho thấy khi tăng nhiệt độ và độ ẩm sẽ làm giảm ứng xử mỏi của
vật liệu FRP. Trong tất cả các loại vật liệu FRP sử dụng trong lĩnh vực xây dựng thì
CFRP ít bị phá hoại mỏi nhất. Giới hạn chịu mỏi của CFRP thường vào khoảng 6070% của giới hạn cường độ chịu kéo tĩnh ban đầu, độ giảm dần của CFRP thường xấp
xỉ 5% đối với cường độ giới hạn tĩnh ban đầu theo hàm loga cơ số 10. Tại vị trí chu kỳ
là 1 triệu, cường độ phá hoại thường ở trong khoảng 60-70% của cường độ tĩnh tới hạn
ban đầu và nó khơng bị ảnh hưởng bởi độ ẩm và nhiệt độ bên ngồi của kết cấu bê
tơng trừ khi bề mặt tiếp xúc chất kết dính / sợi bị thay đởi bản chất bởi mơi trường.
Khơng dễ tính toán được giới hạn chịu mỏi đối với GFRP, tuy nhiên mơi trường
là yếu tố có thể đóng vai trị quan trọng trong độ bền mỏi của sợi thủy tinh do tính
nhạy cảm với độ ẩm, mơi trường liềm, mơi trường có tính axit.
- Ảnh hưởng của tia UV đến chất lượng Epoxy


14
Nhược điểm lớn nhất của chất kết dính là bị lão hóa theo thời gian bởi tia UV do

ánh sáng mặt trời chiếu trực tiếp nếu như bề mặt vật liệu FRP sử dụng chất kết dính
Epoxy khơng được bảo vệ chống tia UV.
1.3.4. Chất lượng vật liệu FRP:
Hệ thống vật liệu FRP nên đủ điều kiện sử dụng trong một dự án dựa trên kết quả
của các thí nghiệm độc lập trong phịng thí nghiệm về thành phần vật liệu sợi cường độ
cao, chất kết dính và vật liệu composite, thí nghiệm cho mơ hình kết cấu tương ứng
đang được xem xét, và thí nghiệm thể hiện độ bền trong các môi trường dự kiến. Dữ
liệu thử nghiệm được cung cấp bởi nhà sản xuất hệ thống vật liệu FRP chứng minh
rằng hệ thống vật liệu FRP dự kiến phải đáp ứng được tất cả các yêu cầu cơ lý, bao
gồm cường độ chịu kéo, độ bền, chịu được từ biến, độ dính bám, và giá trị nhiệt độ Tg.
Vật liệu FRP chưa được kiểm tra đầy đủ thì không nên được xem xét sử dụng.
Các quy định chất lượng của vật liệu FRP nên cần có các thí nghiệm trong phịng thí
nghiệm đủ để đánh giá tính lặp và độ tin cậy của các thuộc tính quan trọng.
1.3.5. Một số công nghệ thi công vật liệu FRP:
Công nghệ thi cơng vật liệu FRP rất đa dạng và có nhiều sự lựa chọn khác nhau
về vật liệu chất kết dính, sợi, vật liệu nền (vật liệu lõi) áp dụng trong từng lĩnh vực cụ
thể, điển hình như sau:
- Phương pháp sử dụng súng phun (Spray Lay-up):
Sợi được cắt nhỏ trong súng phun cầm tay và đưa vào 1 bình xịt chứa chất kết
dính xúc tác hướng trực tiếp vào khuôn. Phần vật liệu được trộn lẫn với nhau và đóng
rắn trong điều kiện mơi trường tiêu chuẩn. Ưu điểm của công nghệ này là đã được ứng
dụng rộng rãi trong nhiều năm nên chi phí giảm, thi cơng nhanh. Tuy nhiên tấm vật
liệu RFP khi hình thành thường có nhiều chất kết dính và do đó trọng lượng tấm rất
nặng; chỉ liên kết các sợi thủy tinh ngắn; chất kết dính cần phải để ở độ nhớt thấp, điều
này làm ảnh hưởng đến các tính chất cơ lý / nhiệt của sản phẩm; Chất kết dính phun
chứa nhiều styrene làm khả năng gây hại cho người thi công cao hơn, độ nhớt thấp hơn
cũng gây nguy cơ thấm sâu qua quần áo.
- Phương pháp hút chân không (Vacuum Bagging):
Về cơ bản đây thực chất là mở rộng hơn của phương pháp dán ướt đã đề cập ở
trên, với áp lực được đặt lên tấm vật liệu FRP đã được tẩm chất kết dính để củng cố sự

liên kết. Điều này thực hiện bằng cách bọc kín lớp màng nhựa lên tấm vật liệu FRP đã
được tẩm và cả bộ dụng cụ. Khơng khí trong này được hút ra bởi một máy bơm chân
khơng do đó tạo được áp lực lên tấm vật liệu FRP để tăng cường khả năng liên kết. Ưu
điểm của phương pháp này là có thể tạo được tấm vật liệu FRP với hàm lượng cốt sợi
cao hơn nhiều so với kỹ thuật dán ướt thông thường, ngồi ra ít lỗ rỗng hơn, tẩm sợi
tốt hơn với áp lực và dịng chảy chất kết dính chạy suốt cấu trúc sợi. Tuy nhiên phương
pháp này tăng chi phí nhân cơng và thiết bị, địi hỏi nhân cơng có tay nghề kỹ