Giải pháp công nghệ gia cường kết cấu bê tông cốt thép bằng vật liệu cốt sợi tổng hợp

Gia cường kết cấu chịu lực bê tông cốt thép bằng việc dán lớp vật liệu cốt sợi (tấm composite) cường độ cao là một trong các giải pháp duy trì và nâng cao sức chịu tải của kết cấu cũ để đáp ứng yêu cầu về khai thác. Bài báo giới thiệu một số điểm quan trọng của giải pháp này, đồng thời trình bày một số kết quả khảo sát thực nghiệm của cấu kiện bê tông cốt thép được gia cường và hiệu quả của giải pháp gia cường này trong công tác sửa chữa cống dưới đập.

1. GIỚI THIỆU

Sau nhiều năm làm việc, các công trình bị xuống cấp. Việc cải tạo, nâng cấp công trình cũ nhằm bảo đảm an toàn và nâng cao hiệu quả sử dụng ngày càng trở nên cấp thiết thay cho việc phá đi làm lại rất đắt đỏ và tốn kém. Các nguyên nhân và lý do thực hiện này có thể là:

+ Thay đổi việc khai thác công trình do sự thay đổi về hệ thống kết cấu hoặc về tải trọng

+ Sự sai sót về thiết kế cũng như thi công

 + Ăn mòn cốt thép

 + Ảnh hưởng của môi trường (ví dụ động đất),…

+ Một trong những giải pháp đó là  gia cường kết cấu bê tông cốt thép sau khi đã khai thác để đáp ứng điều kiện chịu lực cũng như yêu cầu khai thác mới.

Khoảng 40 năm trước đây, người ta đã biết đến việc gia cường sức kháng uốn của kết cấu bằng phương pháp 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 và thủy tinh 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 epoxi. Trong các vật liệu cốt sợi thì vật liệu sợi các-bon (CFRP) có các đặc tính tốt hơn so với các vật liệu cốt sợi khác như sợi thủy tinh (GFRP ) và sợi polymer aramid (AFRP). 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. Ngày nay thì các tấm gia cường composite này được sản xuất phổ biến ở Tây Âu, Nhật Bản, Nam Mỹ,..

So sánh với các phương pháp gia cố truyền thống, phương pháp sử dụng tấm composite thể hiện nhiều lợi thế: việc thi công rất đơn giản, gọn nhẹ, chiều cao kết cấu được giữ nguyên và tĩnh tải gia tăng là rất nhỏ. Tấm composite cũng có những điểm hạn chế so với các tấm thép thì vật liệu này đắt hơn, và không thích hợp cho kết cấu chịu nhiệt vì dưới tác dụng của nhiệt độ cao các keo dính có nhiều vấn đề.

Vật liệu tấm composite gia cường cho kết cấu bê tông có tiềm năng lớn và có thể đảm nhiệm được cả hai việc: sửa chữa gia cường và làm tăng sức chịu tải của kết cấu. Với ưu điểm nhẹ, cường độ cao, mô đun đàn hồi lớn và khả năng chống ăn mòn cao, vật liệu composite cốt sợi các-bon và thủy tinh rất thích hợp cho việc gia cường kết cấu bê tông cốt thép. Hơn thế nữa, việc sử dụng các tấm composite bọc lên bề mặt cấu kiện còn có thể bảo vệ và hạn chế sự rỉ cũng như ăn mòn của các phần cốt thép trong lòng bê tông.

2. PHƯƠNG PHÁP GIA CƯỜNG KẾT CẤU BẰNG TẤM CỐT SỢI TỔNG HỢP

2.1. Vật liệu cốt sợi tổng hợp

2.2. Các dạng phá hoại

3. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA PHƯƠNG PHÁP GIA CƯỜNG BẰNG THỰC NGHIỆM

4. HIỆU QUẢ CỦA GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG ĐỂ SỬA CHỮA, NÂNG CẤP CỐNG DƯỚI ĐẬP [1]

4.1.Trường hợp thiết kế

4.2. Trường hợp sau khi khai thác, nâng chiều cao đất đắp đập thêm 2m

4.3. Sử dụng giải pháp gia cường bằng vật liệu cốt sợi tổng hợp cường độ cao trong trường hợp sau khi khai thác, nâng chiều cao đất đắp đập thêm 2m

5. KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]      Đề tài nghiên cứu cấp cơ sở: Nghiên cứu khả năng ứng dụng vật liệu tổng hợp trong sửa chữa, nâng cấp cống dưới đập các hồ chứa quy mô vừa và nhỏ khu vực miền núi phía Bắc, Viện Thủy Công, 2010-2011.

[2]      ACI:  Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures, Report by ACI Committee 440, American Concrete Institute, July 2008.