Luận án thực nghiệm ứng xử dầm bê tông cốt thép ăn mòn gia cường CFRP

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU UỐN BỊ HƯ HỎNG DO ĂN MÒN ĐƯỢC GIA CƯỜNG BẰNG TẤM CFRP Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Mã ngành: 9580201 LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội – Năm 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU UỐN BỊ HƯ HỎNG DO ĂN MÒN ĐƯỢC GIA CƯỜNG BẰNG TẤM CFRP Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Mã ngành: 9580201 Người hướng dẫn khoa học: Hà Nội – Năm 2022 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của các cán bộ hướng dẫn Những số liệu và kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tác giả ii LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến các thầy hướng dẫn khoa học là PGS TS Nguyễn Hoàng Giang và PGS TS đã luôn tận tình hướng dẫn và giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện luận án Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô giáo và kỹ thuật viên của Bộ môn Thí nghiệm và Kiểm định công trình, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội, đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện các công việc thực nghiệm Tôi chân thành cảm ơn các thầy cô của Khoa Xây dựng DD&CN, Phòng Quản lý đào tạo, các nhà khoa học của Trường Đại học Xây dựng Hà Nội và các trường Đại học kỹ thuật trong lĩnh vực xây dựng đã đưa ra nhiều góp ý giúp tôi có thể hoàn thiện nội dung của luận án Tôi chân thành cảm ơn Cục Giám định nhà nước về chất lượng công trình, Cục Công tác phía Nam, Bộ Xây dựng, đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến bố mẹ, vợ con và các bạn bè, đồng nghiệp đã luôn ủng hộ tinh thần và động viên tôi vượt qua những khó khăn trong học tập, nghiên cứu đề hoàn thành luận án iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ix DANH MỤC HÌNH VẼ xi MỞ ĐẦU 1 1 Lý do chọn đề tài 1 2 Mục đích nghiên cứu 3 3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3 4 Cơ sở khoa học 3 5 Phương pháp nghiên cứu 4 6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 4 7 Những đóng góp mới của luận án 4 8 Nội dung và cấu trúc của luận án 5 CHƯƠNG 1 – NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP BỊ ĂN MÒN TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN 6 1 1 Tổng quan về ăn mòn cốt thép trong kết cấu công trình 6 111 Cơ chế của ăn mòn cốt thép 6 112 Các giai đoạn của quá trình ăn mòn cốt thép 10 113 Những nguyên nhân chính gây ra ăn mòn cốt thép 11 1 2 Tổng quan về ứng xử uốn của kết cấu dầm BTCT bị ăn mòn 18 121 Trên thế giới 18 122 Ở Việt Nam 22 1 3 Tổng quan về sửa chữa và gia cường kết cấu BTCT bị ăn mòn 29 1 3 1 Các phương pháp sửa chữa và gia cường kết cấu BTCT bị ăn mòn 29 132 Cấu tạo của vật liệu FRP 33 iv 1 3 3 Các đặc điểm của vật liệu FRP 35 1 3 4 Tình hình nghiên cứu gia cường kết cấu BTCT bằng tấm sợi FRP 39 1 4 Kết luận Chương 1 50 CHƯƠNG 2 – NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ UỐN CỦA KẾT CẤU DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP BỊ ĂN MÒN 52 2 1 Thiết lập mô hình thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép 52 211 Mục đích thí nghiệm 52 212 Nguyên lý thí nghiệm 52 213 Mô hình thí nghiệm 53 214 Quy trình thí nghiệm 54 2 2 Thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép trên các mẫu thử 55 221 Vật liệu sử dụng 56 222 Mẫu thử 58 2 2 3 Áp dụng mô hình thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép 59 224 Kết quả thực nghiệm trên các mẫu thử 60 225 Xác định hệ số hiệu chỉnh định luật Faraday đối với mẫu thử BTCT 64 2 3 Thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép trên các mẫu dầm BTCT 66 231 Vật liệu sử dụng 66 232 Mẫu dầm thí nghiệm 67 233 Áp dụng mô hình thí nghiệm gia tốc ăn mòn cốt thép 68 2 3 4 Xác định mức độ ăn mòn cốt thép 69 2 4 Thực nghiệm ứng xử uốn của kết cấu dầm BTCT bị ăn mòn 72 241 Mục đích thí nghiệm 72 242 Sơ đồ thí nghiệm 72 243 Quan hệ giữa tải trọng và độ võng 73 v 324 Phân tích ảnh hưởng của ăn mòn cốt thép dọc đến ứng xử uốn của dầm BTCT 77 2 5 Sơ đồ vết nứt bê tông trên dầm BTCT 80 251 Sơ đồ vết nứt bê tông do ăn mòn 80 252 Sơ đồ vết nứt bê tông do tải trọng 85 2 6 Kết luận Chương 2 90 CHƯƠNG 3 – NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM GIA CƯỜNG CHỊU UỐN KẾT CẤU DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP BỊ ĂN MÒN BẰNG TẤM CFRP 92 3 1 Thực nghiệm gia cường chịu uốn dầm BTCT bị ăn mòn 92 3 1 1 Vật liệu sử dụng 92 3 1 2 Mẫu dầm gia cường 95 3 1 3 Quy trình gia cường chịu uốn dầm ăn mòn bằng tấm sợi CFRP 98 3 2 Thực nghiệm ứng xử uốn của dầm ăn mòn gia cường 102 3 2 1 Mục đích thí nghiệm 102 3 2 2 Sơ đồ thí nghiệm 103 3 2 3 Quan hệ giữa tải trọng và độ võng 104 3 3 Phân tích kết quả thực nghiệm 107 3 3 1 Khả năng chịu lực của dầm ăn mòn gia cường 107 3 3 2 Độ võng của dầm 108 3 3 3 Dạng phá hoại của dầm ăn mòn gia cường 110 3 4 Kết luận Chương 3 111 CHƯƠNG 4 – MÔ HÌNH PHI TUYẾN PHÂN TÍCH ỨNG XỬ UỐN CỦA KẾT CẤU DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP BỊ ĂN MÒN GIA CƯỜNG BẰNG TẤM CFRP 113 4 1 Mở đầu 113 4 2 Tóm tắt chương trình thực nghiệm 115 4 2 1 Vật liệu và dầm thí nghiệm 115 vi 4 2 2 Kết quả thực nghiệm 116 4 3 Mô hình phần tử hữu hạn phi tuyến 118 4 3 1 Định nghĩa phần tử 118 4 3 2 Mô hình vật liệu 120 4 3 3 Kiểm chứng mô hình PTHH 126 4 4 Nghiên cứu tham số 134 4 4 1 Cường độ nén bê tông, hàm lượng cốt thép và cường độ bám dính 134 4 4 2 Sơ đồ dán gia cường 137 4 5 Kết luận Chương 4 140 KẾT LUẬN 142 KẾT LUẬN 142 KIẾN NGHỊ 143 TÀI LIỆU THAM KHẢO 145 Tài liệu tiếng Việt 145 Tài liệu nước ngoài 146 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT AFRP : Aramid Fiber Reinforced Polymer BTCT : Bê tông cốt thép CFRP : Carbon Fiber Reinforced Polymer FRP : Fiber Reinforced Polymer GFRP : Glass Fiber Reinforced Polymer PTHH : Phần tử hữu hạn A : Ampe (đơn vị cường độ dòng điện) cv (%) : Hệ số biến động clt (%) : Mức độ ăn mòn lý thuyết của cốt thép ctt (%) : Mức độ ăn mòn thực tế của cốt thép c (%) : Mức độ ăn mòn trung bình của cốt thép ci (%) : Mức độ ăn mòn của từng thanh thép F : Hằng số Faraday I : Cường độ dòng điện Itb : Cường độ dòng điện trung bình L (mm) : Chiều dài thực tế cốt thép bị ăn mòn/Chiều dài truyền sóng siêu âm M : Nguyên tử khối của sắt ∆m (g) : Khối lượng kim loại bị mất mát do ăn mòn mo (g) : Khối lượng kim loại trước khi ăn mòn m (g) : Khối lượng kim loại còn lại sau khi ăn mòn m : Giá trị trung bình Pb (kN) : Lực kéo tới hạn làm đứt thép Pc (kN) : Lực kéo tại thời điểm thép chảy dẻo PEXP : Tải trọng thu được từ thí nghiệm PFEM : Tải trọng thu được từ mô hình Pn (kN) : Tải trọng gây nứt viii Pph (kN) : Tải trọng phá hoại Rb (MPa) : Giới hạn bền của thép Rc (MPa) : Giới hạn chảy của thép Rn (MPa) : Cường độ chịu nén của bê tông s : Độ lệch chuẩn T (giờ) : Thời gian ăn mòn điện hóa/Thời gian truyền sóng siêu âm U (vôn) : Hiệu điện thế của dòng điện ix DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 1 Yêu cầu thiết kế bảo vệ kết cấu chống ăn mòn trong môi trường biển [23] 27 Bảng 1 2 Một số tính chất cơ lý của vật liệu CFRP 34 Bảng 1 3 Một số tính chất cơ lý của vật liệu GFRP 35 Bảng 1 4 Một số tính chất cơ lý của vật liệu nền epoxy 35 Bảng 2 1 Thành phần cấp phối vật liệu của các loại bê tông sử dụng 56 Bảng 2 2 Cường độ chịu nén của bê tông sử dụng ở 28 ngày tuổi 57 Bảng 2 3 Mức độ ăn mòn cốt thép trong các mẫu thử của bê tông B30 61 Bảng 2 4 Mức độ ăn mòn cốt thép trong các mẫu thử của bê tông B40 62 Bảng 2 5 Mức độ ăn mòn cốt thép trong các mẫu thử của bê tông B50 64 Bảng 2 6 So sánh mức độ ăn mòn cốt thép thực tế và dự báo 65 Bảng 2 7 Cường độ chịu nén của bê tông B30 ở 28 ngày tuổi 66 Bảng 2 8 Các tính chất cơ học của cốt thép dọc 67 Bảng 2 9 Mức độ ăn mòn cốt thép của tổ mẫu II 71 Bảng 2 10 Mức độ ăn mòn cốt thép của tổ mẫu III 71 Bảng 2 11 Mức độ ăn mòn cốt thép của tổ mẫu IV 71 Bảng 2 12 Tổng hợp kết quả thí nghiệm uốn bốn điểm 78 Bảng 3 1 Các tính chất cơ học của sợi CFRP 94 Bảng 3 2 Khối lượng keo dán sử dụng 94 Bảng 3 3 Mức độ ăn mòn cốt thép của tổ mẫu V 97 Bảng 3 4 Mức độ ăn mòn cốt thép của tổ mẫu VI 97 Bảng 3 5 Mức độ ăn mòn cốt thép của tổ mẫu VII 98 Bảng 3 6 So sánh tải trọng uốn phá hoại giữa các dầm thí nghiệm 107 Bảng 3 7 So sánh độ võng giữa các dầm thí nghiệm 109 Bảng 4 1 Tổng hợp kết quả thí nghiệm uốn dầm 117 Bảng 4 2 Các tham số vật liệu sử dụng trong mô hình PTHH 123 x Bảng 4 3 So sánh kết quả thí nghiệm và mô hình 128 Bảng 4 4 Ảnh hưởng của cường độ bê tông, hàm lượng cốt…