Nghiên cứu ứng xử khi chịu lực nén của bêtông gia cường bao bọc bởi vật liệu sợi carbon

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

CAO NGUYÊN THI

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ KHI CHỊU LỰC NÉN CỦA
BÊTÔNG GIA CƯỜNG BAO BỌC BỞI VẬT LIỆU
COMPOSITE SỢI CARBON
Chuyên ngành: Vật liệu và công nghệ vật liệu xây dựng
Mã số
: 605880

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2012


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Trần Văn Miền

Chữ ký :

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. Bùi Đức Vinh

Chữ ký:

Cán bộ chấm nhận xét 2 : PGS.TS. Phạm Hữu Hanh

Chữ ký:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 04 tháng 01 năm 2013
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS. Nguyễn Văn Chánh
2. PGS.TS. Phạm Hữu Hanh
3. TS. Bùi Đức Vinh
4. TS. Trần Văn Miền
5. TS. Lê Anh Tuấn
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Cao Nguyên Thi

MSHV:11190727

Ngày, tháng, năm sinh: 30/09/1988

Nơi sinh: Mỹ Tho, Tiền Giang

Chuyên ngành: Vật liệu và công nghệ vật liệu xây dựng

Mã số : 605880

I. TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu ứng xử khi chịu lực nén của bêtông gia cường bao bọc bởi
vật liệu sợi carbon
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1.Tổng quan đề tài
2.Cơ sở khoa học
3.Hệ nguyên vật liệu trong nghiên cứu
4.Kết quả nghiên cứu
5.Kết luận và kiến nghị
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 02/07/2012
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/12/2012
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. Trần Văn Miền

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 20....
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TS. Trần Văn Miền

PGS.TS.Nguyễn Văn Chánh

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
(Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN

Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ là thành quả của học viên trong suốt quá trình học tập tại
trường đại học Bách Khoa Tp.HCM . Giai đoạn thực hiện luận văn đã giúp em hệ thống
lại những kiến thức mà thầy cô đã truyền đạt trên giảng đường, đồng thời từng bước tìm
hiểu, làm quen và trao dồi kinh nghiệm phục vụ cho việc nghiên cứu khoa học.
Trước tiên, em xin chân thành cảm ơn Thầy, TS TRẦN VĂN MIỀN đã tận tình hướng
dẫn, giúp em hồn thành được luận văn này.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến tất cả quý thầy cô trong ban giảng viên Bộ mơn: VẬT
LIỆU XÂY DỰNG đã tận tình truyền đạt và đóng góp nhiều ý kiến q báu trong q
trình thực hiện luận văn.
Cảm ơn tất cả các bạn bè đã giúp đỡ trong công việc cũng như về mặt tinh thần để
luận văn này được hoàn thành.
Lời cuối xin được cảm ơn tất cả quý thầy cô của trường ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
TPHCM, những người đã bỏ công sức để truyền đạt kiến thức trong quá trình dạy dỗ.
Vì thời gian có hạn và những kiến thức cịn hạn chế chắc chắn khơng thể tránh khỏi
những thiếu sót.
Rất mong sự đóng góp ý kiến của q thầy cơ và các bạn. Em xin chân thành cảm ơn!

TP.HCM, tháng 12 năm 2012
Học viên

CAO NGUYÊN THI


TĨM TẮT
Lưới sợi carbon CFRP hồn tồn có thể gia tăng khả năng chịu tải của cột bêtông một
cách đáng kể, mang lại hiệu quả gia cường cao cho kết cấu. Tuy nhiên, hiệu quả gia

cường của lưới carbon CFRP phụ thuộc vào một số yếu tố như: số lớp lưới CFRP sử
dụng hay nói cách khác là mức độ gia cường, giá trị bán kính góc bo ở các cạnh của cột,
mác bêtông thiết kế, cách thức quấn lưới xung quanh thân cột. Trong nghiên cứu này sử
dụng hai loại mẫu cột vng (100x100x300 mm) và cột trịn (150x300 mm) với ba loại
mác bêtông 30, 40 và 50 MPa, tất cả được quấn lần lượt 1 và 2 lớp lưới carbon CFRP.
Bên cạnh đó, các mẫu cột vng lần lượt có bán kính bo góc là 0, 8, 16, 24, 32 mm.
Ngoài ra, nghiên cứu cũng khảo sát hiệu quả gia cường trên một số mẫu cột mà lưới
CFRP được quấn theo nhiều cách khác nhau xung quanh thân cột. Qua các kết quả thực
nghiệm thu được, có thể thấy rõ là dùng hai lớp lưới CFRP thì hiệu quả gia cường tốt hơn
dùng một lớp. Cường độ chịu nén của mẫu tăng dần ứng với sự gia tăng của bán kính góc
bo, góc bo nhỏ nhất nên dùng là 16 mm. Khảo sát trên các mẫu mà thân cột khơng được
dán lưới CFRP tồn diện tích xung quanh thì nhận thấy các mẫu này hiệu quả gia cường
khơng cao bằng so với trường hợp dán lưới toàn thân cột, mức độ gia tăng cường độ cao
nhất đạt 1.35. Quan sát các mẫu được gia cường bằng lưới CFRP sau khi nén, ghi nhận
được ba dạng phá hoại như sau: phá hoại kéo đứt của lưới CFRP; sự tách lớp CFRP và
kết hợp hai dạng trên.
Từ khóa: Lưới sợi carbon CFRP, bán kính bo góc, mức độ gia cường.


ABSTRACT
Concrete columns confined with carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composites
can significantly enhance strength of jacketed columns. Behavior of the concrete columns
in this case depends on mainly parameters such as confinement level, unconfined
concrete strength, shape of cross-section and corner radius. This study used both of
square (100x100x300 mm) and circular columns (150x300 mm) with three grades of 30,
40 and 50 MPa, they are wrapped by 0, 1 and 2 layers of CFRP, respectively.
Effectiveness of corner radius is mentioned in this paper through the square columns with
rounded corner radius of 0, 8, 16, 24 and 32 mm. Base on the experimental databases, it
is clearly to conclude that the confinement effectiveness of 2-plies CFRP wrap specimens
is better than the 1-ply CFRP wrap specimens. In addition, the compressive strength of

square specimens increased if increasing corner radius and the minimum corner radius
should be used is 16 mm. The confinement effectiveness of non-full CFRP wrapped
specimens is less than full CFRP wrapped specimens. The failure mode of CFRP have 3
situations: the rupture of CFRP, the delamination of CFRP and combination of CFRP
rupture and delamination.
Keywords: CFRP; confinement; circular and square cross-section; compressive
strength, corner radius.


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Luận văn này là cơng trình nghiên cứu thực sự của cá nhân, được
thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. TRẦN VĂN MIỀN.
Các số liệu, kết quả được trình bày trong luận văn này trung thực và chưa từng được
công bố dưới bất kỳ hình thức nào.
Tơi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.

Học viên

CAO NGUYÊN THI


Trang |i

MỤC LỤC
Trang
DANH SÁCH HÌNH VẼ ................................................................................................iii
DANH SÁCH BẢNG BIỂU .........................................................................................viii
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ........................................................................................... 1
1.1 Giới thiệu ................................................................................................................... 1
1.2 Các nghiên cứu trong nƣớc trƣớc đây ........................................................................ 4

1.3 Các nghiên cứu ngoài nƣớc trƣớc đây ....................................................................... 6
1.4 Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................ 19
1.5 Phạm vi nghiên cứu.................................................................................................. 19
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC ............................................................................... 22
2.1 Giới thiệu vật liệu composite cốt sợi (Fiber Reinforced Polymer (FRP)) ............... 22
2.2 Cơ chế phá hủy trong bêtông ................................................................................... 31
2.3 Sự làm việc của FRP ................................................................................................ 34
CHƢƠNG 3: HỆ NGUYÊN VẬT LIỆU....................................................................... 44
3.1 Xi măng .................................................................................................................... 44
3.2 Cát ............................................................................................................................ 44
3.3 Đá ............................................................................................................................. 46
3.4 Lƣới sợi cacbon gia cƣờng CFRP ............................................................................ 47
3.5 Keo Epoxy................................................................................................................ 48
3.6 Phụ gia siêu dẻo ....................................................................................................... 49
3.7 Nƣớc ......................................................................................................................... 49
3.8 Thiết kế cấp phối bêtông .......................................................................................... 49
CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ...................................................................... 50
4.1 Chuẩn bị mẫu thí nghiệm ......................................................................................... 50
4.2 Thiết lập thí nghiệm ................................................................................................. 55
4.3 Các dạng phá hoại mẫu ............................................................................................ 56
4.3.1 Các dạng phá hoại trên mẫu vuông.................................................................... 56

HVTH: Cao Nguyên Thi

MSHV: 11190727


T r a n g | ii
4.3.2 Các dạng phá hoại trên mẫu tròn (trƣờng hợp thân cột đƣợc quấn tồn bộ diện
tích xung quanh) ......................................................................................................... 59

4.3.3 Các dạng phá hoại trên mẫu trịn (trƣờng hợp thân cột khơng đƣợc quấn tồn bộ
diện tích xung quanh) ................................................................................................. 61
4.4 Đánh giá hiệu quả gia cƣờng bằng CFRP trên các mẫu cột vng ......................... 65
4.4.1 Đánh giá ảnh hƣởng của bán kính góc và mác bêtơng thiết kế của mẫu cột
vng đến hiệu quả gia cƣờng .................................................................................... 65
4.4.2 Đánh giá ảnh hƣởng của số lớp lƣới sợi carbon CFRP đến hiệu quả gia cƣờng
.................................................................................................................................... 70
4.4.3 Quan hệ Ứng suất – Biến dạng ở các mẫu cột bêtông tiết diện vuông .............. 73
4.4.3.1 Quan hệ Ứng suất – Biến dạng ở các mẫu cột bêtông tiết diện vuông mác
30 MPa..................................................................................................................... 73
4.4.3.2 Quan hệ Ứng suất – Biến dạng ở các mẫu cột bêtông tiết diện vuông mác
40 MPa..................................................................................................................... 76
4.4.3.3 Quan hệ Ứng suất – Biến dạng ở các mẫu cột bêtông tiết diện vuông mác
50 MPa..................................................................................................................... 79
4.5 Đánh giá hiệu quả gia cƣờng bằng CFRP dán trên tồn thân các mẫu cột bêtơng tiết
diện tròn ......................................................................................................................... 82
4.5.1 Đánh giá ảnh hƣởng của số lớp lƣới sợi carbon và mac bêtông thiết kế ........... 82
4.5.2 Quan hệ Ứng suất – Biến dạng ở các mẫu cột bêtơng tiết diện trịn ................. 84
4.6 Đánh giá hiệu quả gia cƣờng bằng CFRP dán một phần trên thân các mẫu cột
bêtơng tiết diện trịn ....................................................................................................... 86
4.6.1 Kết quả cƣờng độ chịu nén của các mẫu với các cách quấn lƣới khác nhau..... 86
4.6.2 Quan hệ Ứng suất – Biến dạng ở các mẫu cột bêtông tiết diện tròn ................. 91
4.7 Mối tƣơng quan giữa các tham số ảnh hƣởng đến giá trị f’cc ................................. 92
4.7.1 Quan hệ giữa ke và tỷ số f’cc/f’c ....................................................................... 93
4.7.2 Công thức dự đoán giá trị f’cc dựa trên các kết quả thực nghiệm..................... 97
4.7.3 Cơng thức dự đốn giá trị f’cc dựa trên các kết quả thực nghiệm ( trƣờng hợp
mẫu 10101 và mẫu 01010) ......................................................................................... 98
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 99
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................ 101
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ ................................................... 103

PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG .............................................................................. 104
HVTH: Cao Nguyên Thi

MSHV: 11190727


T r a n g | iii
DANH SÁCH HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1: Sợi carbon đƣợc ứng dụng trong việc chế tạo máy bay .................................. 2
Hình 1.2: Mui xe BMW M6 làm bằng vật liệu composite sợi carbon ............................ 2
Hình 1.3: Sợi thủy tinh (trái) và sợi carbon (phải) .......................................................... 3
Hình 1.4: FRP dùng thay thế cốt thép ............................................................................. 3
Hình 1.5: Sử dụng CFRP để gia cƣờng kết cấu sàn (a), dầm (b), cột (c) ....................... 3
Hình 1.6: Mơ tả thí nghiệm chịu tải của dầm BTCT đƣợc gia cƣờng bằng tấm FRP .... 5
Hình 1.7: Các mẫu thí nghiệm của Riad Benzaid sử dụng vật liệu là sợi thủy tinh GFRP
......................................................................................................................................... 7
Hình 1.8: Ảnh hƣởng của số lớp GFRP đến mức độ gia tăng cƣờng độ chịu nén.......... 8
Hình 1.9: Ảnh hƣởng của số lớp GFRP đến mức độ gia tăng biến dạng dọc trục .......... 8
Hình 1.10: Biểu đồ ứng suất – biến dạng ........................................................................ 9
Hình 1.11: Ảnh hƣởng của bán kính góc bo đến hệ số gia tăng cƣờng độ ................... 10
Hình 1.12: Ảnh hƣởng của hệ số bán kính góc đến biến dạng của FRP....................... 11
Hình 1.13: Các mẫu gia cƣờng bằng lƣới sợi carbon CFRP của R.Abbasnia ............. 11
Hình 1.14: Các mẫu cột bêtơng cốt thép trong thí nghiệm của T.Turgay..................... 12
Hình 1.15: Khung cốt thép sử dụng cho mẫu cột trong thí nghiệm của T.Turgay ....... 12
Hình 1.16: Phá hoại xảy ra chủ yếu ở đầu và chân cột ................................................. 13
Hình 1.17: Mơ hình mẫu thí nghiệm của Hua Wei ....................................................... 14
Hình 1.18: Các dạng phá hoại sau thí nghiệm .............................................................. 15
Hình 1.19: Mơ hình ứng suất – biến dạng của Lam và Teng cho bêtông gia cƣờng bởi
FRP ................................................................................................................................ 16

Hình 1.20: Tiết diện ngang theo mơ hình của Lam và Teng ........................................ 18
Hình 1.21a: Các trƣờng hợp quấn lƣới CFRP đƣợc khảo sát ....................................... 20
Hình 1.21b: Các trƣờng hợp quấn lƣới CFRP đƣợc khảo sát ....................................... 21
Hình 2.1: Cấu tạo nhiều lớp của tấm FRP .................................................................... 24

HVTH: Cao Nguyên Thi

MSHV: 11190727


T r a n g | iv
Hình 2.2: Sự sắp xếp của các nguyên tử carbon trong tinh thể graphite ...................... 25
Hình 2.3: Sự sắp xếp của các tinh thể graphite theo phƣơng ngang trên suốt chiều dài
sợi .................................................................................................................................. 26
Hình 2.4: Quy trình sản xuất sợi carbon ....................................................................... 28
Hình 2.5: Cấu trúc phân tử PAN trƣớc và sau khi oxy hóa .......................................... 29
Hình 2.6: Cấu tạo chung của lƣới sợi ............................................................................ 30
Hình 2.7: Một số kiểu đan lƣới ở loại lƣới sợi hai phƣơng........................................... 30
Hình 2.8: Tấm vải sợi carbon 2 phƣơng (a) và 1 phƣơng (b) ....................................... 31
Hình 2.9: Mơ hình lý tƣởng hóa của trạng thái ứng suất quanh một cấu kiện hạt ........ 32
Hình 2.10: Cơ chế phá hoại ........................................................................................... 33
Hình 2.11: Lực truyền qua giữa các cốt liệu trong bêtơng............................................ 34
Hình 2.12: Mơ hình bình chịu áp lực có thành mỏng ................................................... 36
Hình 2.13: Phƣơng quấn lƣới FRP xung quanh thân cột .............................................. 37
Hình 2.14: Nội lực trong cột bêtơng trịn quấn FRP thể hiện theo mặt cắt ngang ........ 37
Hình 2.15: Các tiết diện cột bêtơng khảo sát ................................................................ 38
Hình 2.16: Phần diện tích lõi bêtông bị kiềm chế hữu hiệu ứng với các mặt cắt khác
nhau ............................................................................................................................... 40
Hình 2.17: Nội lực bên trong cột bêtông quấn FRP ứng với các tiết diện khác nhau .. 40
Hình 2.18: Cột bêtơng quấn FRP khơng liên tục .......................................................... 41

Hình 2.19: Phần bêtơng bị kiềm chế hữu hiệu trong trƣờng hợp quấn FRP khơng liên
tục .................................................................................................................................. 42
Hình 3.1: Đƣờng cong cấp phối của cát ........................................................................ 45
Hình 3.2: Cấp phối hạt của đá dăm ............................................................................... 47
Hình 3.3: Lƣới sợi carbon dùng cho thí nghiệm ........................................................... 47
Hình 4.1: Thử độ sụt và chuẩn bị mẫu thử mác bêtơng ................................................ 50
Hình 4.2: Dƣỡng hộ mẫu thử ........................................................................................ 52
Hình 4.3: Gia cơng bề mặt mẫu .................................................................................... 53
Hình 4.4: Quá trình dán lƣới CFRP .............................................................................. 54

HVTH: Cao Nguyên Thi

MSHV: 11190727


Trang |v
Hình 4.5: Các mẫu sau khi dán lƣới CFRP ................................................................... 55
Hình 4.6: Thí nghiệm nén mẫu, đo chuyển vị dọc trục và chuyển vị hơng của mẫu .... 55
Hình 4.7: Các dạng phá hoại trên mẫu vuông dùng một lớp CFRP ............................. 57
Hình 4.8: Các dạng phá hoại trên mẫu vng dùng hai lớp CFRP ............................... 58
Hình 4.9: Các dạng phá hoại trên mẫu vuông dùng một và hai lớp CFRP ................... 60
Hình 4.10: Các dạng phá hoại của mẫu một và hai lớp lƣới CFRP .............................. 63
Hình 4.11: Ảnh hƣởng của bán kính góc bo đến mức độ gia tăng cƣờng độ của các mẫu
sử dụng một lớp lƣới carbon ......................................................................................... 67
Hình 4.12: Ảnh hƣởng của bán kính góc bo đến mức độ gia tăng cƣờng độ của các mẫu
sử dụng hai lớp lƣới carbon........................................................................................... 67
Hình 4.13: Quan hệ giữa tỷ số f’cc/f’c và số lớp lƣới sợi carbon CFRP ở các mẫu mac
thiết kế 30 MPa ............................................................................................................. 70
Hình 4.14: Quan hệ giữa tỷ số f’cc/f’c và số lớp lƣới sợi carbon CFRP ở các mẫu mac
thiết kế 40 MPa ............................................................................................................. 71

Hình 4.15: Quan hệ giữa tỷ số f’cc/f’c và số lớp lƣới sợi carbon CFRP ở các mẫu mac
thiết kế 50 MPa ............................................................................................................. 71
Hình 4.16: Quan hệ Ứng suất – Biến dạng ở các mẫu cột bêtông tiết diện vng mác 30
MPa bán kính 0 mm (R1) .............................................................................................. 73
Hình 4.17: Quan hệ Ứng suất – Biến dạng ở các mẫu cột bêtông tiết diện vuông mác 30
MPa bán kính 8 mm (R2) .............................................................................................. 73
Hình 4.18: Quan hệ Ứng suất – Biến dạng ở các mẫu cột bêtông tiết diện vng mác 30
MPa bán kính 16 mm (R3) ............................................................................................ 74
Hình 4.19: Quan hệ Ứng suất – Biến dạng ở các mẫu cột bêtông tiết diện vuông mác 30
MPa bán kính 24 mm (R4) ............................................................................................ 74
Hình 4.20: Quan hệ Ứng suất – Biến dạng ở các mẫu cột bêtông tiết diện vng mác 30
MPa bán kính 32 mm (R5) ............................................................................................ 75
Hình 4.21: Quan hệ Ứng suất – Biến dạng ở các mẫu cột bêtông tiết diện vuông mác 40
MPa bán kính 0 mm (R1) .............................................................................................. 76

HVTH: Cao Nguyên Thi

MSHV: 11190727


T r a n g | vi
Hình 4.22: Quan hệ Ứng suất – Biến dạng ở các mẫu cột bêtông tiết diện vng mác 40
MPa bán kính 8 mm (R2) .............................................................................................. 77
Hình 4.23: Quan hệ Ứng suất – Biến dạng ở các mẫu cột bêtông tiết diện vuông mác 40
MPa bán kính 16 mm (R3) ............................................................................................ 77
Hình 4.24: Quan hệ Ứng suất – Biến dạng ở các mẫu cột bêtông tiết diện vng mác 40
MPa bán kính 24 mm (R4) ............................................................................................ 78
Hình 4.25: Quan hệ Ứng suất – Biến dạng ở các mẫu cột bêtông tiết diện vuông mác 40
MPa bán kính 32 mm (R5) ............................................................................................ 78
Hình 4.26: Quan hệ Ứng suất – Biến dạng ở các mẫu cột bêtông tiết diện vng mác 50

MPa bán kính 0 mm (R1) .............................................................................................. 79
Hình 4.27: Quan hệ Ứng suất – Biến dạng ở các mẫu cột bêtông tiết diện vuông mác 50
MPa bán kính 8 mm (R2) .............................................................................................. 80
Hình 4.28: Quan hệ Ứng suất – Biến dạng ở các mẫu cột bêtông tiết diện vng mác 50
MPa bán kính 16 mm (R3) ............................................................................................ 80
Hình 4.29: Quan hệ Ứng suất – Biến dạng ở các mẫu cột bêtông tiết diện vuông mác 50
MPa bán kính 24 mm (R4) ............................................................................................ 81
Hình 4.30: Quan hệ Ứng suất – Biến dạng ở các mẫu cột bêtông tiết diện vng mác 50
MPa bán kính 32 mm (R5) ............................................................................................ 81
Hình 4.31: Thí nghiệm nén mẫu và đo chuyển vị dọc trục, chuyển vị hông của mẫu cột
bêtông tiết diện trịn ...................................................................................................... 82
Hình 4.32: Ảnh hƣởng của số lớp lƣới carbon đến mức độ gia tăng cƣờng độ chịu nén
của các mẫu cột trịn ...................................................................................................... 83
Hình 4.33: Quan hệ ứng suất – biến dạng ở các mẫu cột bêtông tiết diện trịn có mác 30
MPa ............................................................................................................................... 84
Hình 4.34: Quan hệ ứng suất – biến dạng ở các mẫu cột bêtơng tiết diện trịn có mác 40
MPa ............................................................................................................................... 85
Hình 4.35: Quan hệ ứng suất – biến dạng ở các mẫu cột bêtơng tiết diện trịn có mác 50
MPa ............................................................................................................................... 85

HVTH: Cao Nguyên Thi

MSHV: 11190727


T r a n g | vii
Hình 4.36: Vị trí quấn lƣới trên các mẫu khảo sát (phần gạch chéo) – Đơn vị tính
(milimet) ........................................................................................................................ 87
Hình 4.37: Các mẫu chuẩn bị thí nghiệm...................................................................... 87
Hình 4.38: Kết quả thí nghiệm nén của các mẫu dùng một lớp lƣới CFRP ................. 88

Hình 4.39: Kết quả thí nghiệm nén của các mẫu dùng hai lớp lƣới CFRP ................... 89
Hình 4.40: Ảnh hƣởng của số lớp lƣới CFRP đến hiệu quả gia cƣờng ........................ 89
Hình 4.41: Các mẫu ký hiệu 101 ................................................................................... 90
Hình 4.42: Quan hệ Ứng suất – Biến dạng ở các mẫu dùng một lớp CFRP................. 91
Hình 4.43: Quan hệ Ứng suất – Biến dạng ở các mẫu dùng hai lớp CFRP .................. 91
Hình 4.44: Quan hệ giữa ke và tỷ số r/bd ....................................................................... 95
Hình 4.45: Ảnh hƣởng của ke đến cƣờng độ chịu nén của các mẫu sử dụng một lớp lƣới
....................................................................................................................................... 96
Hình 4.46: Ảnh hƣởng của ke đến cƣờng độ chịu nén của các mẫu sử dụng hai lớp lƣới
....................................................................................................................................... 97

HVTH: Cao Nguyên Thi

MSHV: 11190727


T r a n g | viii
DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 1.1: Một số kết quả thu đƣợc sau thí nghiệm của Riad Benzaid ........................... 7
Bảng 1.2: Hệ số gia tăng cƣờng độ thu đƣợc sau khi thí nghiệm của Wu và Wang .... 10
Bảng 2.1: Ảnh hƣởng của nhiệt độ carbon hóa đối với mơđun sợi carbon .................. 27
Bảng 3.1: Khối lƣợng riêng của xi măng sử dụng ........................................................ 44
Bảng 3.2: Kết quả thử độ nén và độ bền uốn của vữa xi măng sử dụng ....................... 44
Bảng 3.3: Khối lƣợng riêng của cát .............................................................................. 44
Bảng 3.4: Khối lƣợng thể tích xốp của cát .................................................................... 45
Bảng 3.5: Module độ lớn của cát .................................................................................. 45
Bảng 3.6: Khối lƣợng riêng, khối lƣợng thể tích ở trạng thái khơ và bão hịa nƣớc của
đá dăm ........................................................................................................................... 46
Bảng 3.7: Khối lƣợng thể tích xốp của đá dăm............................................................. 46

Bảng 3.8: Lƣợng sót sàng và kích thƣớc Dmax, Dmin của đá dăm .................................. 46
Bảng 3.9: Thời gian cho phép thi công (cho 1 bộ 1 kg) sau khi trộn 2 thành phần ...... 48
Bảng 3.10: Cấp phối bêtơng dùng cho thí nghiệm ........................................................ 49
Bảng 4.1: Số lƣợng và ký hiệu các mẫu thí nghiệm ..................................................... 51
Bảng 4.2: Kết quả thí nghiệm nén mẫu ......................................................................... 65
Bảng 4.3: Kết quả thí nghiệm nén mẫu ......................................................................... 83
Bảng 4.5: Kết quả thí nghiệm nén của các mẫu khảo sát.............................................. 88
Bảng 4.6. Hệ số kiềm chế hữu hiệu ở các mẫu khảo sát ............................................... 89

HVTH: Cao Nguyên Thi

MSHV: 11190727


Trang |1

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu
Các cơng trình bêtơng cốt thép thƣờng đƣợc thiết kế để phục vụ ổn định trong thời
gian dài hàng chục và thậm chí hàng trăm năm. Tuy nhiên, trong quá trình phục vụ,
điều kiện sử dụng có thể thay đổi dẫn đến việc suy giảm khả năng chịu lực của kết cấu
dƣới tác dụng của tải trọng. Khi đó, cơng trình khơng cịn đảm bảo khả năng làm việc
tốt nhƣ thiết kế ban đầu và có thể bị phá hoại. Ngày nay, ở Việt Nam, vấn đề này
thƣờng hay gặp phải và rất tốn kém nếu nhƣ những cơng trình đó đƣợc thay mới hoàn
toàn. Từ thực tế nhƣ vậy, các kỹ sƣ thấy cần thiết phải có phƣơng pháp sửa chữa giúp
cho cấu kiện phục hồi cũng nhƣ nâng cao sức chịu tải để thoả mãn điều kiện khai thác
mà không cần phá bỏ đi kết cấu cơng trình hiện hữu, sao cho với sự gia cƣờng nhỏ nhất
có thể nhƣng vẫn đảm bảo đƣợc cơng trình có hiệu quả làm việc cao nhất.
Trong nhiều thập kỷ qua, lĩnh vực sửa chữa và phục hồi cơng trình xây dựng ngày
càng phát triển nhanh chóng trên thế giới. Hiện nay, nhiều phƣơng pháp cải thiện khả

năng chịu lực cho các cấu kiện xây dựng đã và đang đƣợc áp dụng rộng rãi, nhiều loại
vật liệu lẫn kỹ thuật mới đã xuất hiện với chủng loại rất đa dạng và phong phú. Một
trong những kỹ thuật mới hiện nay mà ở Việt Nam vẫn chƣa đƣợc ứng dụng phổ biến
là sử dụng vật liệu composite nhằm nâng cao khả năng chịu tải của cấu kiện bêtông cốt
thép (BTCT). Vật liệu composite là loại vật liệu đƣợc chế tạo từ hai hay nhiều loại vật
liệu khác nhau nhằm tạo ra loại vật liệu mới có tính năng tốt hơn các loại vật liệu ban
đầu. Hiện tại, ngƣời ta đã đƣa vào ứng dụng các loại vật liệu composite FRP (Fiber
Reinforced Polymer) là các vật liệu tổng hợp có gia cƣờng lƣới sợi ( các loại sợi carbon
hay thủy tinh,…) trên nền polymer. Các sản phẩm composite FRP này có những tính
năng vƣợt trội hơn so với các vật liệu kim loại truyền thống nên đã đƣợc ứng dụng
trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Hơn hai thập niên trƣớc đây, các sản phẩm
FRP này đƣợc chế tạo và ứng dụng lần đầu trong ngành công nghiệp hàng khơng vì nó
HVTH: Cao Ngun Thi

MSHV: 11190727


Trang |2

có khả năng chịu lực cao nhƣng lại làm giảm khối lƣợng máy bay (Hình 1.1). Kể từ đó,
cá sản phẩm FRP xuất hiện rộng rãi và phổ biến hơn ở các lĩnh vực khác nhƣ là sản
xuất ô tơ (Hình 1.2) hay tàu thủy…

Hình 1.1: Sợi carbon được ứng dụng
trong việc chế tạo máy bay.

Hình 1.2: Mui xe BMW M6 làm bằng
vật liệu composite sợi carbon.

Trong lĩnh vực xây dựng, loại vật liệu này cũng đƣợc sử dụng với một số ƣu điểm:

tăng cƣờng khả năng chịu uốn, chống cắt của dầm, sàn hay nâng cao khả năng chịu nén
của cột lẫn khả năng chịu tải trọng động của các cấu kiện xây dựng khác nhau. Ngoài
ra, việc thi công loại vật liệu này cũng dễ dàng, không làm thay đổi hình dạng ban đầu
của kết cấu và nó cịn thể hiện đƣợc khả năng chống ăn mịn tốt. Hai loại FRP thƣờng
dùng là composite sợi thủy tinh GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer) và composite
sợi carbon CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) dƣới dạng tấm vải dệt (lƣới sợi)
nhƣ trên hình 1.3; hình 1.5, dạng thanh cứng gia cƣờng hoặc dùng thay thế cốt thép
(hình 1.4).

HVTH: Cao Nguyên Thi

MSHV: 11190727


Trang |3

Hình 1.3: Sợi
thủy tinh (trái)
và sợi carbon
(phải)

Hình 1.4: FRP dùng thay thế cốt thép

(a)

(b)
Hình 1.5: Sử dụng
CFRP để gia cường
kết cấu sàn (a), dầm
(b), cột (c)

(c)

HVTH: Cao Nguyên Thi

MSHV: 11190727


Trang |4

Tóm lại, vật liệu composite FRP mang lại lợi ích cao bởi những tính năng ƣu việt
của nó so với các vật liệu kim loại truyền thống khi đƣợc sử dụng trong lĩnh vực phục
hồi hay sửa chữa công trình. Nhờ vậy mà vật liệu FRP rất thích hợp để ứng dụng vào
ngành xây dựng nƣớc ta, hiện đang trong q trình cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa. Tuy
nhiên, ứng dụng của loại vật liệu này trong nƣớc vẫn cịn hạn chế, số lƣợng cơng trình
có sử dụng FRP để sửa chữa chƣa nhiều, hơn nữa, các nghiên cứu khoa học về việc
ứng dụng FRP tại Việt Nam cũng rất ít. Do đó, rất cần thiết có thêm nhiều nghiên cứu
về việc áp dụng FRP cho các cấu kiện xây dựng nhằm góp phần hiểu rõ cũng nhƣ đƣa
ra đƣợc các giải pháp thi công phù hợp khi sử dụng loại vật liệu này trong ngành xây
dựng nƣớc ta hiện nay.
Chính vì những lý do trên mà đề tài nghiên cứu này mong muốn đƣợc đóng góp một
số kết quả hữu ích cho cơng tác sữa chữa cơng trình trong nƣớc. Phạm vi của đề tài sẽ
tập trung vào việc dùng tấm vải dệt CFRP quấn hay bó xung quanh thân các cấu kiện
cột bêtông nhƣ là một kỹ thuật gia cƣờng hiệu quả. Thông qua việc hạn chế nở hông,
ứng suất gây ra biến dạng bên sẽ đƣợc hạn chế bởi lớp vật liệu CFRP gia cƣờng bên
ngoài, làm chậm sự phá hoại của bêtơng và từ đó sẽ tăng cƣờng giới hạn chịu nén của
bêtông. Một số nghiên cứu đã cho thấy hiệu quả gia cƣờng của FRP phụ thuộc vào
dạng hình học của tiết diện cột, số lớp lƣới FRP gia cƣờng và cƣờng độ chịu nén của
bêtông. Tuy nhiên, ảnh hƣởng của yếu tố vùng diện tích gia cƣờng hiệu quả cũng nhƣ
cách thức bố trí lƣới FRP xung quanh thân cột chƣa đƣợc đề cập đến trong các báo cáo
trƣớc đây. Do đó, mục tiêu của đề tài là khảo sát về yếu tố ảnh hƣởng này bên cạnh

việc mở rộng hơn các kết quả nghiên cứu hiện hữu.
1.2 Các nghiên cứu trong nƣớc trƣớc đây
Viện Thủy Công [1] đã nghiên cứu về tác dụng gia cƣờng của tấm composite FRP
qua việc phân tích ứng xử chịu tải của dầm bêtông cốt thép chịu uốn với sự tham gia
của vật liệu gia cƣờng composite với các mức độ gia cƣờng khác nhau đƣợc mô tả nhƣ

HVTH: Cao Nguyên Thi

MSHV: 11190727


Trang |5

ở hình 1.6. Các tham số ảnh hƣởng xét đến là mức độ gia cƣờng (thể hiện qua số lớp
sợi composite FRP gia cƣờng) và cƣờng độ bêtơng.

Hình 1.6: Mơ tả thí nghiệm chịu tải của dầm BTCT được gia cường bằng tấm FRP [1]
Kết quả thu đƣợc trên sáu mẫu dầm với các mức độ gia cƣờng khác nhau
(0,1,2,3,4,5 lớp FRP) cho thấy giá trị lực chịu tải giới hạn tăng tƣơng ứng với mức độ
gia cƣờng, sự có mặt của lớp gia cƣờng làm phân bố lại nội lực trong dầm và làm tăng
chiều cao vùng chịu nén của cấu kiện. Trạng thái phá hoại của dầm thay đổi so với
thơng thƣờng, vị trí phá hoại dịch chuyển về phía đầu dầm nơi mà lực cắt đủ lớn.
Trong trƣờng hợp này, sức chịu tải của dầm đƣợc quyết định bởi sức chịu uốn cắt đồng
thời và nói chung là nhỏ hơn sức chịu tải do uốn thuần túy [1].
Bên cạnh nghiên cứu của viện thủy công, tác giả Ngô Quang Tƣờng (Đại học Bách
Khoa, ĐHQG Tp.HCM) cũng đƣa ra lý thuyết thực hiện các bƣớc thi công và tính tốn
thiết kế khả năng chịu lực của dầm bêtơng cốt thép gia cố bằng FRP [15]. Có thể nói
tác dụng gia cƣờng của các sản phẩm FRP ở Việt Nam chƣa đƣợc nghiên cứu nhiều,
hiện chỉ dừng lại ở một số thí nghiệm trên dầm BTCT và chƣa có các khảo sát khi áp
dụng cho các cấu kiện cột.

HVTH: Cao Nguyên Thi

MSHV: 11190727


Trang |6

1.3 Các nghiên cứu ngoài nƣớc trƣớc đây
Trong hơn hai thập kỷ nay, sản phẩm FRP đã đƣợc nhiều nƣớc tiên tiến trên thế
giới nghiên cứu và sử dụng cho cơng tác sửa chữa, gia cố cơng trình. Trong đó, nhiều
cơng trình nghiên cứu và khảo sát việc sử dụng CFRP để gia cố, sửa chữa các cấu kiện
cột BTCT thơng qua các thí nghiệm bó cột bêtơng bằng vật liệu composite sợi thủy
tinh (GFRP) hoặc composite sợi carbon (CFRP). Các nghiên cứu điển hình cần phải đề
cập đến là của các tác giả nhƣ: Riad Benzaid, Lam và Teng, Wu và Wang, R.Abbasnia
… và một số tác giả khác.
Dựa trên việc phân tích các kết quả thí nghiệm về sức chịu tải và biến dạng của các
mẫu cột bêtông tiết diện 100x100x300 mm đƣợc gia cƣờng bằng GFRP khi chịu nén
dọc trục, Riad Benzaid [2,3] nhận thấy:
+ Số lớp gia cƣờng và bán kính ở góc của tiết diệt cột là các tham số chính ảnh
hƣởng đến ứng xử của các mẫu thử khi chịu tải. Hiệu quả gia cƣờng đƣợc nâng cao
ứng với sự gia tăng giá trị của các tham số này. Cụ thể, mức độ gia tăng tải trọng lớn
nhất đạt đƣợc ứng với các mẫu cột đƣợc quấn hai lớp lƣới GFRP và các góc bo 0, 8, 16
mm lần lƣợt là 6%, 20% và 36%. Trong khi đó, các mẫu cột đƣợc quấn một lớp GFRP
và các góc bo tƣơng tự thì giá trị nhận đƣợc thấp hơn, chỉ đạt 2%, 9% và 16% (Hình
1.8) . Bên cạnh đó, khi số lớp CFRP tăng thì biến dạng tới hạn dọc trục cũng tăng
mạnh. Mức độ gia tăng này là 316% đối với mẫu S1R3 và 532% đối với mẫu S2R3.
(Hình 1.9). Qua kết quả này, Riad Benzaid kết luận rằng một bán kính lớn ở góc của
tiết diện cột sẽ mang lại hiệu quả cao do hạn chế đƣợc hiện tƣợng tập trung ứng suất ở
các góc cột.

HVTH: Cao Nguyên Thi

MSHV: 11190727


Trang |7

Bảng 1.1: Một số kết quả thu đƣợc sau thí nghiệm của Riad Benzaid [2,3]
Mẫu

S0R1

S1R1

S2R1

S1R2

S2R2

S1R3

S2R3

fcc/fco

1.00

1.02

1.06

1.09

1.2

1.16

1.36

εcc/εco

1.00

3.68

5.84

3.96

6.12

4.16

6.32

fcc: cƣờng độ chịu nén lớn nhất của mẫu gia cƣờng
fco: cƣờng độ chịu nén lớn nhất của mẫu chƣa gia cƣờng
εcc: biến dạng dọc trục ứng với giá trị ứng suất lớn nhất của mẫu gia cƣờng

εco: biến dạng dọc trục ứng với giá trị ứng suất lớn nhất của mẫu chƣa gia cƣờng
S0, S1, S2: các mẫu dán 0, 1, 2 lớp GFRP
R1, R2, R3: các góc bo: 0, 8, 16 mm.

Hình 1.7: Các mẫu thí nghiệm của Riad Benzaid [2,3]

HVTH: Cao Nguyên Thi

MSHV: 11190727


Trang |8

Số lớp GFRP (Number of layers); Mức độ gia tăng cƣờng độ chịu nén (Gain)
Hình 1.8. Ảnh hưởng của số lớp GFRP đến mức độ gia tăng cường độ chịu nén

Số lớp GFRP (Number of layers); Biến dạng dọc trục (Axial strain)
Hình 1.9. Ảnh hưởng của số lớp GFRP đến mức độ gia tăng biến dạng dọc trục

HVTH: Cao Nguyên Thi

MSHV: 11190727


Trang |9

+ GFRP hạn chế đƣợc biến dạng bên gây ra bởi tải trong dọc trục, nó làm trì hỗn sự
phá hoại và do đó nâng cao cả cƣờng độ chịu nén và biến dạng dọc trục giới hạn của
bêtông. Riad Benzaid cũng thiết lập biểu đồ ứng suất – biến dạng từ các kết quả thí
nghiệm và kết luận rằng GFRP có thể nâng đƣợc độ dẻo dai của bêtơng một cách đáng

kể (Hình 1.10).

Biến dạng dọc trục (Axial strain); Ứng suất dọc trục (Axial stress)
Hình 1.10: Biểu đồ ứng suất – biến dạng [2,3]
Từ biểu đồ trên có thể thấy giới hạn của ứng suất và biến dạng dọc trục gia tăng rõ
rệt, đạt đến giá trị cao nhất so với các kết quả khác trong trƣờng hợp số lớp GFRP sử
dụng là hai lớp và góc bo ở các góc cột là 16 mmm. Đặc biệt, hiệu quả kiềm chế mà
GFRP mang lại càng cao nếu nhƣ giảm đi mức độ sắc cạnh ở các góc cột hay nói cách
khác là sự tăng dần của bán kính góc bo ở các góc cột.
Năm 2008, Wu và Wang [4] đã nghiên cứu về ảnh hƣởng của bán kính góc đến hiệu
quả gia cƣờng khi sử dụng vật liệu composite sợi carbon gia cƣờng trên các mẫu cột có
các bán kính góc khác nhau (0, 15, 30, 45, 60, 75 mm) và sử dụng hai loại mác bêtông
khác nhau (30, 50 MPa). Kết quả cũng cho thấy rõ ràng là khả năng chịu tải của các
mẫu gia cƣờng tăng dần ứng với các mẫu có bán kính góc (r) càng lớn (Hình 1.11).

HVTH: Cao Nguyên Thi

MSHV: 11190727


T r a n g | 10

Điều này đƣợc thể hiện rõ qua mối quan hệ tuyến tính giữa hệ số tăng cƣờng độ (tỷ số
giữa cƣờng độ mẫu gia cƣờng và mẫu không gia cƣờng) và hệ số bán kính góc (tỷ số
giữa bán kính góc và bề rộng tiết diện mẫu) ở cả hai loại mác bêtông khác nhau.
Bảng 1.2: Hệ số gia tăng cƣờng độ thu đƣợc sau khi thí nghiệm của Wu và Wang [4]
Số lớp

1 lớp

CFRP
r (mm)

0

15

30

45

2 lớp
60

75

0

15

30

45

60

75

C30

1.02 1.05 1.23 1.43 1.57 1.80 1.02 1.32 1.75 2.22 2.48 2.74

C50

1.03 1.03 1.8

1.09 1.19 1.30 1.07 1.1

1.21 1.53 1.7

1.91

Unconfined: mẫu không gia cƣờng; 1- ply: 1 lớp CFRP; 2 - plies: 2 lớp CFRP
Hình 1.11: Ảnh hưởng của bán kính góc bo đến hệ số gia tăng cường độ của các mẫu
mác 30 MPa và 50 MPa [4]
Hệ số bán kính góc là tham số chính trong báo cáo của Wu và Wang, cho nên ngoài
ảnh hƣởng đến hệ số gia tăng cƣờng độ, các tác giả cũng xét ảnh hƣởng của tham số
này đến biến dạng trong CFRP. Kết quả cho thấy biến dạng này gia tăng tƣơng ứng với
sự phát triển của hệ số bán kính góc và có sự khác nhau rõ rệt giữa kết quả của các mẫu
mác 30 và 50 MPa. Đối với các mẫu mà mác bêtông thiết kế thấp hơn (30 MPa) thì kết

HVTH: Cao Nguyên Thi

MSHV: 11190727