Luận án tiến sĩ kỹ thuật xây dựng: Gia cường dầm BTCT chịu uốn bị ăn mòn bằng tấm CFRP - ĐH Xây dựng HN

Hiện tượng chloride induced corrosion là nguyên nhân chính gây hư hỏng kết cấu ven biển. Các ion clo xâm nhập từ ngoài vào qua các lỗ rỗng bê tông. Ion clo phá hủy màng thụ động bảo vệ bề mặt cốt thép. Quá trình oxy hóa tạo ra rỉ sét sắt. Thể tích rỉ sét nở gấp nhiều lần thể tích ban đầu của kim loại. Áp lực trương nở tạo ra ứng suất kéo lớn trong lớp bê tông bảo vệ. Khi ứng suất kéo vượt quá cường độ chịu kéo của bê tông, vết nứt dọc xuất hiện. Vết nứt mở rộng nhanh tạo đường dẫn cho oxy và độ ẩm xâm nhập sâu hơn. Tốc độ ăn mòn tăng tốc mạnh mẽ. Tiết diện thép chịu lực bị thu hẹp đáng kể. Khả năng bám dính giữa thanh cốt thép và bê tông xung quanh bị triệt tiêu dần. Kết cấu dầm mất dần độ dẻo dai và khả năng chịu tải ban đầu. Hiện tượng phá hoại giòn có thể xảy ra bất ngờ mà không có dấu hiệu cảnh báo trước.

Vật liệu FRP gồm sợi cường độ cao kết hợp nhựa polymer liên kết. Các loại sợi phổ biến gồm sợi thủy tinh GFRP, sợi aramid AFRP và sợi carbon CFRP. Trong xây dựng, tấm sợi carbon CFRP chiếm vị trí ưu tiên hàng đầu. Tấm CFRP sở hữu mô đun đàn hồi cao và độ bền mỏi vượt trội. Khả năng kháng hóa chất và kháng ăn mòn điện hóa của CFRP đạt mức lý tưởng. Quá trình gia cường kết cấu bê tông cốt thép bằng FRP không làm thay đổi kích thước hình học dầm. Trọng lượng kết cấu hầu như không tăng thêm. Việc lắp đặt không đòi hỏi máy móc nâng hạ phức tạp. Bề mặt thi công không cần can thiệp đục phá lớn vào lõi kết cấu cũ. Hiệu quả ngăn chặn ion xâm thực từ môi trường bên ngoài được nâng cao. Đây là giải pháp xanh, bền vững cho công trình hạ tầng ven biển và hải đảo.

Kỹ thuật CFRP sheet flexural strengthening mở ra hướng đi mới trong việc gia cố dầm. Phương pháp này dán trực tiếp tấm CFRP vào đáy dầm chịu kéo. Nhựa epoxy chuyên dụng truyền ứng suất giữa bề mặt bê tông và tấm sợi carbon. Sợi carbon tiếp nhận phần lớn ứng suất kéo thay cho cốt thép đã bị ăn mòn rỉ sét. Ứng dụng thực tế cho thấy giải pháp thi công nhanh chóng và tiết kiệm chi phí vận hành. Công trình không cần ngừng khai thác trong suốt thời gian bảo dưỡng. Cầu đường, cảng biển và nhà xưởng công nghiệp ven biển đều thích hợp áp dụng kỹ thuật này. Phương pháp nâng cao tuổi thọ công trình từ 20 đến 30 năm mà không phát sinh chi phí duy tu lớn. Khả năng kiểm soát vết nứt uốn dưới tải trọng sử dụng đạt hiệu quả rất cao.

Mô hình thí nghiệm sử dụng buồng cấp dòng điện ổn định. Các mẫu dầm được cấp dòng điện liên tục với mật độ dòng danh định. Mật độ dòng thường được khống chế ở mức phù hợp để tránh phá hủy nhiệt bê tông. Dung dịch điện phân NaCl thấm sâu vào lớp bảo vệ. Dòng điện chạy qua hệ thống thúc đẩy phản ứng hòa tan sắt tại cực dương. Định luật Faraday tính toán khối lượng kim loại hao hụt theo lý thuyết. Tuy nhiên, hiệu suất ăn mòn thực tế luôn có sự chênh lệch. Hệ số hiệu chỉnh thực nghiệm được xác định nhằm chuẩn hóa công thức tính. Việc kiểm soát nhiệt độ và nồng độ dung dịch bảo đảm môi trường thí nghiệm đồng nhất. Cảm biến đo điện thế ghi nhận liên tục sự biến thiên của phản ứng điện hóa trong suốt quá trình thử nghiệm.

Sau khi hoàn thành gia tốc dòng điện, các thanh thép được đục tách khỏi dầm. Bề mặt thép được làm sạch rỉ sét bằng dung dịch axit theo tiêu chuẩn ASTM G1. Khối lượng thép sau ăn mòn được cân chính xác trên cân điện tử. Tỷ lệ tổn thất khối lượng thực tế được so sánh trực tiếp với mức độ ăn mòn lý thuyết. Kết quả chỉ ra hệ số hiệu chỉnh Faraday phản ánh sự phân bố ăn mòn không đều dọc thân thanh thép. Hiện tượng ăn mòn cục bộ dạng hố rỗ thường xuất hiện nhiều hơn ăn mòn đồng đều. Diện tích mặt cắt ngang tại vị trí rỗ giảm mạnh hơn giá trị trung bình. Sự suy giảm tiết diện thực tế là nguyên nhân chính gây tập trung ứng suất khi dầm chịu uốn.

Áp lực trương nở của rỉ sét sinh ra ứng suất kéo hướng tâm trong khối bê tông. Khi ứng suất vượt quá giới hạn kéo, bề mặt dầm bắt đầu xuất hiện các vết nứt vi mô. Các vết nứt này định hướng chạy song song dọc theo phương của thanh cốt thép. Bề rộng vết nứt tăng tuyến tính theo mức độ ăn mòn thép. Khi mức độ ăn mòn đạt trên 5%, bề rộng khe nứt nứt dọc mở rộng rõ rệt. Lớp bê tông bảo vệ bên dưới bị tách lớp và bong tróc cục bộ. Khả năng liên kết giữa bê tông và cốt thép bị suy thoái nhanh chóng. Biến dạng nứt do ăn mòn làm thay đổi hoàn toàn đặc tính làm việc liền khối của cấu kiện dầm bê tông cốt thép.

Thực nghiệm uốn 4 điểm trên dầm BTCT bị ăn mòn thể hiện rõ sự suy giảm khả năng chịu lực. Khi mức độ ăn mòn cốt thép đạt khoảng 10% đến 20%, mô men uốn giới hạn của dầm giảm từ 15% đến hơn 30%. Cốt thép dọc đáy dầm bị đứt sớm tại các vị trí ăn mòn hố rỗ cục bộ. Vùng bê tông chịu nén phía trên có thể bị vỡ vụn trước khi cốt thép đạt trạng thái dẻo hoàn toàn. Khả năng chịu uốn dầm BTCT tỷ lệ thuận với diện tích cốt thép còn lại và chất lượng dính kết. Ăn mòn cốt đai cũng làm giảm đáng kể khả năng chống cắt phối hợp, thúc đẩy các vết nứt uốn - cắt phát triển xiên nhanh vào vùng nén.

Độ võng và độ cứng uốn là hai chỉ tiêu phản ánh trạng thái sử dụng bình thường của công trình. Ăn mòn cốt thép phá hủy liên kết tiếp xúc giữa thép và bê tông. Hiện tượng trượt tương đối giữa hai vật liệu xảy ra dễ dàng hơn. Mô men quán tính tương đương của tiết diện dầm suy giảm nghiêm trọng ngay từ cấp tải ban đầu. Đường cong quan hệ giữa tải trọng và độ võng cho thấy độ dốc giảm mạnh khi mức độ ăn mòn tăng cao. Độ cứng uốn của dầm bị ăn mòn 15% có thể giảm tới 40% so với dầm đối chứng. Chuyển vị võng tại giữa nhịp tăng nhanh, làm dầm dễ mất thẩm mỹ và gây mất an toàn cục bộ cho các cấu kiện liên kết xung quanh.

Cơ chế phá hoại của dầm bê tông cốt thép chịu uốn bị ăn mòn chuyển dịch dần từ phá hoại dẻo sang phá hoại giòn. Ở dầm thông thường, cốt thép chảy dẻo trước khi bê tông vùng nén bị nát, tạo dấu hiệu cảnh báo rõ ràng. Ở dầm bị ăn mòn nặng, cốt thép bị đứt đột ngột tại vị trí mặt cắt rỗ sâu nhất. Hoặc dầm bị phá hoại do bê tông đáy dầm bong tách hoàn toàn dọc theo vết nứt ăn mòn cũ. Lực dính kết mất đi khiến ứng suất không truyền đều dọc chiều dài nhịp. Vết nứt uốn chính mở rộng rất nhanh, dẫn tới sự sụp đổ đột ngột của cấu kiện dưới tải trọng thấp.

Hiệu quả gia cường phụ thuộc trực tiếp vào chất lượng thi công lớp tiếp xúc. Bề mặt bê tông đáy dầm được mài nhám cơ học để lộ cốt liệu thô và loại bỏ lớp vữa yếu. Các vết nứt do ăn mòn được bơm trám bằng keo epoxy áp lực thấp. Lớp vữa sửa chữa polyme được bù đắp tạo phẳng bề mặt hình học của dầm. Sau đó, lớp keo lót primer chuyên dụng được quét phủ đều để tăng cường độ liên kết. Nhựa epoxy dán kết cấu được quét lên bề mặt rồi ép phẳng tấm sợi carbon CFRP bằng con lăn chuyên dụng. Quá trình lăn ép đảm bảo loại bỏ hoàn toàn bọt khí bên trong lớp keo dán. Lớp keo được bảo dưỡng đủ thời gian theo tiêu chuẩn kỹ thuật trước khi đưa vào chịu tải thực tế.

Thực nghiệm uốn khẳng định dầm BTCT bị ăn mòn sau khi dán tấm CFRP có khả năng chịu tải tăng vượt bậc. Dầm bị ăn mòn 10% đến 20% khi được gia cường một hoặc hai lớp tấm sợi carbon CFRP có sức chịu tải tăng từ 30% đến hơn 60% so với dầm ăn mòn chưa gia cường. Cường độ dầm thậm chí vượt qua sức chịu tải của dầm đối chứng lành lặn chưa bị ăn mòn. Tấm CFRP tiếp nhận ứng suất kéo lớn, hạn chế biến dạng kéo ở đáy dầm. Biến dạng võng tại giữa dầm giảm đáng kể dưới cùng mức tải trọng làm việc. Độ cứng chống uốn được phục hồi tới 80-90% so với ban đầu. Các khe nứt uốn xuất hiện muộn hơn và phân bố dày hơn với bề rộng vết nứt nhỏ hơn.

Khả năng bám dính giao diện bê tông CFRP là yếu tố then chốt quyết định hiệu năng gia cường. Dạng phá hoại phổ biến của dầm gia cường uốn bằng tấm dán ngoài là hiện tượng bóc tách sớm tấm sợi (debonding). Hiện tượng này xảy ra khi ứng suất cắt hoặc ứng suất kéo bóc tách tại lớp keo vượt quá cường độ dính kết bề mặt. Đối với dầm bị ăn mòn, lớp bê tông nền bị suy thoái làm giảm độ bền dính bám của keo dán. Phá hoại thường bắt đầu bằng vết nứt trượt tại đầu mút tấm sợi hoặc tại gốc vết nứt uốn lớn giữa nhịp dầm. Biện pháp neo bổ sung bằng đai chữ U sợi composite giúp hạn chế tối đa hiện tượng tách lớp sớm, cho phép dầm phát huy toàn bộ cường độ chịu kéo cực hạn của tấm sợi carbon CFRP.

Xây dựng mô hình hình học chuẩn xác theo kích thước thực nghiệm của dầm dán CFRP. Các điều kiện biên gối tựa đơn và vị trí đặt điểm gia tải được thiết lập sát với sơ đồ thí nghiệm 4 điểm. Tấm sợi CFRP được mô hình hóa làm việc đàn hồi tuyến tính dị hướng cho đến khi phá hoại. Lớp tiếp xúc giữa bê tông và tấm CFRP được mô phỏng bằng các phần tử dính kết Cohesive hoặc bề mặt tương tác dính kết Surface-based Cohesive. Các thông số về độ cứng ban đầu, ứng suất dính bám tới hạn và năng lượng giải phóng phá hủy giao diện được đưa vào đầy đủ. Mô hình phần tử hữu hạn cho phép dự báo chính xác hiện tượng tập trung ứng suất cắt và ứng suất kéo vuông góc tại mép dán tấm composite.

Kết quả phân tích mô hình số được đối chiếu chi tiết với dữ liệu đo đạc thực nghiệm. Đường cong quan hệ tải trọng - độ võng từ mô phỏng có độ tương đồng cao với đường thực nghiệm từ giai đoạn đàn hồi, nứt bê tông cho đến khi cấu kiện đạt tải trọng cực hạn. Sai số về khả năng chịu lực cực hạn và độ võng tương ứng thường duy trì ở mức dưới 10%. Trường phân bố ứng suất và hình ảnh tích lũy hư hại nứt kéo trong mô hình CDP phản ánh đúng vị trí các vết nứt thực tế trên mẫu dầm dán CFRP. Sự bóc tách dải sợi CFRP tại các vết nứt uốn chính giữa nhịp dầm cũng được mô phỏng chính xác. Điều này chứng minh độ tin cậy khoa học cao của mô hình số.

Phân tích tham số mở rộng đánh giá ảnh hưởng của cường độ bê tông, tỷ lệ cốt thép và số lớp CFRP. Cường độ nén của bê tông càng cao thì độ bám dính giao diện bê tông CFRP càng bền chắc, giúp nâng cao tải trọng gây bóc tách dải composite. Khi hàm lượng cốt thép ban đầu thấp hoặc cốt thép bị ăn mòn nặng, hiệu quả tăng cường khả năng chịu uốn từ việc dán tấm sợi carbon CFRP đạt mức cao nhất. Việc tăng số lớp CFRP giúp tăng độ cứng uốn của dầm nhưng làm tăng nguy cơ phá hoại bóc tách sớm ở đầu tấm dán. Nghiên cứu tham số cung cấp cơ sở dữ liệu quan trọng để tối ưu hóa chiều dày tấm dán, chiều dài neo và lượng sợi gia cường cho các dầm bê tông cốt thép trong thực tế kỹ thuật.