Sự chịu uốn của dầm bê tông cốt hỗn hợp thép và polyme cốt sợi thủy tinh bị ăn mòn bởi ion Clorua (P1)

>> Sự chịu uốn của dầm bê tông cốt hỗn hợp thép và polyme cốt sợi thủy tinh bị ăn mòn bởi ion Clorua (P2)

Thí nghiệm ăn mòn đẩy nhanh bằng phương pháp ăn mòn điện hóa được tiến hành trên 04 mẫu dầm, cho đến khi xuất hiện các vết nứt trên bề mặt dầm, do cốt thép bị ăn mòn gây ra. Tiếp đến, các mẫu dầm bị ăn mòn được thí nghiệm uốn bốn điểm cho đến khi phá hoại. Kết quả thực nghiệm thu được cho phép làm rõ ứng xử uốn của dầm bê tông cốt SGFRP khi cốt thép bị ăn mòn cũng như vai trò của thanh GFRP trong việc phân tán các vết nứt do uốn và gia tăng khả năng chịu lực của dầm.

1. Đặt vấn đề

Ăn mòn cốt thép trong kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) là một trong những nguyên nhân cơ bản gây ra hư hỏng của các kết cấu công trình. Hư hỏng do ăn mòn cốt thép xảy ra chủ yếu với các công trình xây dựng ở các khu vực chịu nhiều tác động của các yếu tố hóa học như khu vực ven biển với sự có mặt của ion clorua, khu vực các nhà máy công nghiệp sử dụng hóa chất (nhà máy giấy, nhà máy phân bón... ), khu vực đô thị chịu tác động của khí carbonic (CO₂). Theo thống kê của nhiều tổ chức nghiên cứu trên Thế giới, ăn mòn cốt thép là nguy cơ hàng đầu gây ra hư hỏng công trình. Ở nước ta, một số nghiên cứu đã thực hiện cho thấy có đến 90% các công trình xây dựng nhà ở vùng ven biển không đảm bảo yêu cầu về chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép và số lượng các công trình bị hư hỏng nặng sau 10 năm sử dụng chiếm một số lượng đáng kể [1]. 

Trên Hình 1 trình bày một số hình ảnh hư hỏng kết cấu BTCT có nguyên nhân do ăn mòn cốt thép gây ra. Hình 1(a) là hình ảnh hư hỏng điển hình của cột BTCT, sự tăng thể tích cốt thép khi xảy ra ăn mòn làm nứt, bong tách lớp bê tông bảo vệ dọc theo cốt thép. Sự ăn mòn có thể xảy ra ở một vùng tiết diện (cạnh cột) hoặc trên toàn tiết diện. Hình 1(b) và Hình 1(c) cho thấy sự ăn mòn xảy ra trên kết cấu dầm và sàn BTCT chịu uốn, lớp bê tông bảo vệ bị bong vỡ, cốt thép bị suy giảm tiết diện và với mức độ ăn mòn lớn thì có thể gây ra đứt cốt thép chịu kéo. Có thể thấy điểm chung của sự hư hỏng kết cấu BTCT do ăn mòn cốt thép là sự suy giảm tiết diện bê tông và tiết diện cốt thép, suy giảm lực bám dính giữa cốt thép và bê tông, dẫn đến sự suy giảm khả năng chịu lực của kết cấu.

Hình 1. Một số hình ảnh hư hỏng kết cấu BTCT do ăn mòn cốt thép.

Thanh polyme cốt sợi thủy tinh GFRP (Glass Fiber-Reinforced Polymer) là sản phẩm dạng thanh tạo nên bởi các sợi thủy tinh được dính kết và bao bọc bởi một chất nhựa tổng hợp polyme tạo nên cốt chịu lực. Các nghiên cứu sử dụng thanh GFRP làm cốt chịu lực trong kết cấu bê tông cho thấy tuổi thọ của vật liệu GFRP trong bê tông dài hơn nhiều so với cốt thép truyền thống và cốt GFRP là giải pháp đảm bảo độ bền cho kết cấu bê tông trong môi trường bị ăn mòn [2-6]. Hiện nay, ở nhiều nước trên Thế giới đã ban hành các chỉ dẫn kỹ thuật cho việc áp dụng thanh GFRP làm cốt chịu lực cho kết cấu bê tông, điển hình như ACI 440.1R [2], CSA-S806-12 [3], FIB.10 [4].Mặc dù có những ưu điểm nói trên, thanh GFRP lại là vật liệu hoàn toàn đàn hồi tuyến tính cho đến khi phá hoại và có độ dẻo kém hơn nhiều với các thanh thép truyền thống [2, 7, 8]. Đây là một nhược điểm khi sử dụng thanh GFRP làm cốt chịu lực trong kết cấu bê tông. Qua các nghiên cứu đã được thực hiện cho thấy, khi áp dụng thanh GFRP làm cốt chịu lực cho kết cấu bê tông chịu uốn,thì mặc dù kết cấu có khả năng chịu tải cực hạn cao nhưng lại có độ võng và bề rộng vết nứt lớn do thanh GFRP có mô đun đàn hồi thấp [8-11]. Các kết cấu chịu uốn thường bị giới hạn bởi điều kiệnsử dụng theo trạng thái giới hạn thứ hai nên khó phát huy được đặc tính cường độ chịu kéo cao của thanh GFRP. Đồng thời phá hoại của kết cấu bê tông chịu uốn sử dụng thanh GFRP là dạng phá hoại đột ngột và không có tính cảnh báo [8-10].

Để khắc phục những điểm hạn chế nêu trên của thanh GFRP, giải pháp sử dụng kết hợp cốt thép và cốt GFRP (viết tắt cốt SGFRP) làm cốt chịu lực trong kết cấu bê tông làm việc chịu uốn đã được nhiều tác giả nghiên cứu, mà điển hình là các kết quả trình bày trong các tài liệu [8-17]. Các kết quả thu được đều cho thấy, sử dụng cốt SGFRP làm cốt chịu lực trong kết cấu bê tông chịu uốn có thể khắc phục được những nhược điểm của việc sử dụng hoàn toàn cốt GFRP, nhất là trong việc hạn chế tình trạng nứt và phá hoại đột ngột. Đồng thời, sử dụng cốt SGFRP với cốt GFRP đặt phía ngoài, là một giải pháp phù hợp cho kết cấu bê tông làm việc trong môi trường xâm thực [18].

Nội dung bài viết trình bày một nghiên cứu thực nghiệm sự làm việc của dầm bê tông cốt SGFRP trong trường hợp dầm bị hư hỏng do ăn mòn cốt thép chịu lực. Thí nghiệm ăn mòn cốt thép đẩy nhanh thông qua ăn mòn điện hóa trong môi trường dung dịch NaCl 5% được tiến hành cho đến khi các mẫu dầm xuất hiện vết nứt trên bề mặt bê tông do ăn mòn cốt thép gây ra. Tiếp đó, thí nghiệm uốn bốn điểm trên các mẫu dầm được tiến hành cho phép nghiên cứu ứng xử của các dầm bê tông cốt SGFRPđã bị ăn mòn cốt thép. Các nghiên cứu thực nghiệm trên được thực hiện tại Phòng Thí nghiệm và Kiểm định công trình (LAS-XD 125), Trường Đại học Xây dựng.

2. Nghiên cứu thực nghiệm

Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành với các nội dung chính sau: (1) chế tạo các mẫu dầm thínghiệm; (2) thực hiện thí nghiệm ăn mòn đẩy nhanh bằng phương pháp ăn mòn điện hóa trong môi trường dung dịch NaCl 5% trên các mẫu dầm thí nghiệm; (3) thí nghiệm uốn các mẫu dầm bê tông cốt thép và cốt SGFRP bị ăn mòn nhằm đánh giá ứng xử uốn của các mẫu dầm cũng như xác định sự làm việc của cốt hỗn hợp SGFRP.

2.1. Mẫu thí nghiệm và vật liệu chế tạo

Trong nghiên cứu này, 04 mẫu dầm có cùng kích thước hình học được chế tạo. Các mẫu dầm có chiều dài 2200 mm, kích thước tiết diện ngang bxh = 150×200 mm và được chế tạo với cùng một loại bê tông. Liên quan đến cốt chịu lực của các dầm thí nghiệm, 02 mẫu dầm, ký hiệu D-05-1, D-05-2,sử dụng cốt thép thường và 02 mẫu dầm, ký hiệu D-G-05-1, D-G-05-2, sử dụng cốt SGFRP. Việc tiến hành đồng thời thí nghiệm trên các mẫu dầm BTCT thông thường và dầm bê tông cốt SGFRP cho phép đánh giá được rõ hơn sự tham gia của thanh GFRP và của cốt hỗn hợp SGFRP vào ứng xử uốn của dầm bê tông cốt SGFRP. Với dầm bê tông cốt SGFRP, thanh GFRP được đặt ở phía ngoài cốt thép. Chi tiết kích thước hình học và cấu tạo cốt chịu lực của các mẫu dầm thí nghiệm được trình bày ở Hình 2 và Hình 3.

Trên Bảng 1 giới thiệu thành phần cấp phối vật liệu chế tạo bê tông và kết quả thí nghiệm nén xácđịnh cường độ chịu nén của bê tông, thực hiện trên 03 mẫu thử hình trụ D×H = 150×300 mm ở tuổi 28 ngày. Đối với cốt thép ∅12, giới hạn chảy của thép, xác định từ thí nghiệm kéo, bằng 515 MPa. Đối với cốt GFRP ∅12, cường độ chịu kéo thu được từ thí nghiệm kéo khi mẫu thí nghiệm bị phá hoại bằng 900 MPa.

Hình 2. Chi tiết cấu tạo dầm D-05-1 và D-05-2.


Hình 3. Chi tiết cấu tạo dầm D-G-05-1 và D-G-05-2.

 

2.2. Thí nghiệm ăn mòn đẩy nhanh bằng phương pháp ăn mòn điện hóa

Hình 4. Sơ đồ thí nghiệm ăn mòn đảy nhanh bằng phương pháp ăn mòn điện hóa.

Trên Hình 4 trình bày sơ đồ thí nghiệm ăn mòn đẩy nhanh đối với cốt thép trong các mẫu dầm theo phương pháp ăn mòn điện hóa. Sau khi chế tạo 28 ngày, tất cả các mẫu dầm thí nghiệm được đặt vào trong bể chứa và ngâm trong dung dịch NaCl 5%. Một đoạn dây dẫn điện gắn chặt với hai thanh cốt thép ∅12 (gắn trước khi đổ bê tông các mẫu dầm) được đấu vào cực dương của thiết bị tạo dòng điện một chiều tạo ra điện cực dương (anot), còn cực âm của thiết bị được đấu với một dây dẫn có một đầu gắn chặt vào thanh đồng (đặt trong bể ngâm mẫu) tạo ra điện cực âm (catot). Trong thí nghiệm ăn mòn đẩy nhanh, cường độ dòng điện một chiều được lựa chọn sao cho quá trình ăn mòn đẩy nhanh gây ra tình trạng ăn mòn cốt thép phù hợp với thực tế hư hỏng của kết cấu công trình BTCT trong môi trường thực. Dựa trên cơ sở một số nghiêm cứu [19-23], đồng thời để thời gian tiến hành thí nghiệm không quá dài, cường độ cường độ dòng điện một chiều được lựa chọn, trên cơ sở diện tích tiết diện của cốt thép, bằng 25μA/mm², và được duy trì trong suốt thời gian thực hiện thí nghiệm.

Hình 5. Đo đạc bề rộng vết nứt trên dầm bằng thiết bị đo quang học.

Thí nghiệm ăn mòn được thực hiện cho đến khi xuất hiện các vết nứt trên bề mặt bê tông của các dầm thí nghiệm và có thể quan sát được bằng mắt thường. Thời gian tiến hành thí nghiệm đối với các mẫu dầm là 60 ngày. Sau khi kết thúc thí nghiệm, các mẫu dầm được vớt ra khỏi bể, để khô và tiến hành đo vẽ sơ đồ phân bố vết nứt do cốt thép bị ăn mòn gây ra trên bề mặt dầm (Hình 5). Chi tiết kết quả được trình bày ở Hình 7. Đối với sự mất mát khối lượng cốt thép do ăn mòn, thông số này được xác định sau khi tiến hành thí nghiệm uốn các mẫu dầm. Sau thí nghiệm uốn, đập vỡ các mẫu đầm để lấy cốt thép bị ăn mòn. Sau khi làm sạch gỉ trên các thanh cốt thép, tiến hành cân xác định lại khối lượng của các thanh thép. 

2.3. Thí nghiệm xác định sự làm việc chịu uốn của các mẫu dầm bị ăn mòn

Hình 6. Sơ đồ thí nghiệm uốn bốn điểm các mẫu dầm.

Các mẫu dầm sau khi tiến hành thí nghiệm ăn mòn, để khô trong vòng 14 ngày, sau đó tiếp tục tiến hành thí nghiệm uốn. Trên Hình 6 trình bày sơ đồ thí nghiệm. Các mẫu dầm được thí nghiệm theo sơ đồ uốn bốn điểm, dưới tác dụng của hai tải trọng tập trung P, có độ lớn bằng nhau và cách đều gối tựa mỗi bên một đoạn bằng 800 mm. Sử dụng kích thủy lực, trạm bơm dầu và dầm phân tải để tạo ra hai tải trọng này (tải trọng đầu kích có giá trị bằng 2P). Giá trị tải trọng tác dụng lên dầm được xác định thông qua dụng cụ đo lực điện tử (Load cell). Để đo chuyển vị của dầm dưới tác dụng của tải trọng, sử dụng 03 thiết bị đo chuyển vị điện tử, ký hiệu LVDT-1, LVDT-2 và LVDT-3, bố trí ở hai gối tựa và ở tiết diện giữa dầm. Từ số đo trên 03 thiết bị đo này cho phép xác định độ võng lớn nhất ở tiết diện giữa dầm. Các dụng cụ đo lực, đo chuyển vị được kết nối với bộ thu thập và xử lý số liệu TDS 530 (do hãng Tokyo Sokki của Nhật Bản sản xuất) cho phép ghi nhận tự động và đồng thời các số liệu thí nghiệm (01 giây/lần ghi).

Tài liệu tham khảo

[1] Khoan, P. V., Thắng, N. N. (2010). Tình trạng ăn mòn cốt thép ở vùng biển Việt Nam và một số kinhnghiệm sử dụng chất ức chế ăn mòn canxi nitrit.Tạp chí Khoa học công nghệ Xây dựng, Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng IBST.

[2] ACI 440.1R (2015). Guide for the design and construction of concrete reinforced with FRP bars. Reportby ACI Committee 440, American Concrete Institute.

[3] CAN/CSA-S806-12 (2012). Design and Construction of Building Components with Fibre-Reinforced Polymers. Canadian Standards Association.

[4] FIB.40 (2007). FRP Reinforcement in RC Structures. Bulletin No. 40, International Federation for Structural Concrete.

[5] FIB (2010). Model Code for Concrete Structures. International Federation for Structural Concrete.

[6] JSCE (1997).Recommendation for design and construction of concrete structures using continuous fiberreinforcing materials. Concrete Engineering Series 23. Japan Society of Civil Engineers Machida, A. ed.,Tokyo, Japan.

[7] GangaRao, H. V. S., Taly, N., Vijay, P. V. (2007).Reinforced Concrete Design with FRP Composites. CRC Press.

[8] Tuấn, P. M. Nghiên cứu sự làm việc chịu uốn của dầm bê tông cốt hỗn hợp thép và polyme cốt sợi thủytinh. Luận án Tiến sỹ kỹ thuật. Đại học Xây dựng.

[9] Tuấn, P. M. (2019). Khả năng chịu mô men uốn của dầm bê tông cốt hỗn hợp thép và GFRP theo TCVN5574:2018.Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng (KHCNXD) - ĐHXD, 13(4V):73-81.

[10] Leung, H. Y. (2004).  Flexural capacity of concrete beams reinforced with steel and fibre-reinforcedpolymer (FRP) bars.Journal of Civil Engineering and Management, 10(3):209-215.

[11] Ge, W., Zhang, J., Dai, H., Tu, Y. (2011). Experimental Study on the Flexural Behavior of Concrete BeamHybrid Reinforced with FRP Bars and Steel Bars.Advances in FRP Composites in Civil Engineering,Springer Berlin Heidelberg, 301-303.

[12] Ge, W., Zhang, J., Cao, D., Tu, Y. (2015). Flexural behaviors of hybrid concrete beams reinforced with BFRP bars and steel bars. Construction and Building Materials, 87:28-37.

[13] Jia, B., Liu, S., Liu, X., Wang, R. (2014). Flexural capacity calculation of hybrid bar reinforced concretebeams. Materials Research Innovations, 18(sup2):S2-836-S2-840.

[14] Kara, I. F., Ashour, A. F., K ̈oro ̆glu, M. A. (2015).  Flexural behavior of hybrid FRP/steel reinforcedconcrete beams. Composite Structures, 129:111-121.

[15] Lau, D., Pam, H. J. (2010). Experimental study of hybrid FRP reinforced concrete beams. EngineeringStructures, 32(12):3857-3865.

[16] Mustafa, S. A. A., Hassan, H. A. (2018). Behavior of concrete beams reinforced with hybrid steel andFRP composites. HBRC Journal, 14(3):300-308.

[17] Sun, Z., Fu, L., Feng, D.-C., Vatuloka, A. R., Wei, Y., Wu, G. (2019). Experimental study on the flexuralbehavior of concrete beams reinforced with bundled hybrid steel/FRP bars. Engineering Structures, 197:109443.

[18] Zhou, Y., Zheng, Y., Sui, L., Hu, B., Huang, X. (2020). Study on the Flexural Performance of Hybrid-Reinforced Concrete Beams with a New Cathodic Protection System Subjected to Corrosion. Materials,13(1):234.

[19] Vu, N. S. (2018).Experimental and analytical investigations on seismic behavior of corroded reinforcedconcrete members. Doctoral thesis, Nanyang Technological University, Singapore.

[20] Fang, C., Lundgren, K., Chen, L., Zhu, C. (2004). Corrosion influence on bond in reinforced concrete. Cement and Concrete Research, 34(11):2159–2167.

[21] Lee, H. S., Tomosawa, F., Noguchi, T. (1996). Effects of rebar corrosion on the structural performance ofsingly reinforced beams. Durability of building materials and components, 7(1):571-580.

[22] Azad, A. K., Ahmad, S., Azher, S. A. (2007).  Residual Strength of Corrosion-Damaged ReinforcedConcrete Beams. ACI Materials Journal, 104(1):40-47.

[23] Long, Đ. V., Hưng, P. V., Thắng, N. K. T., Đông, N. V., Hoàng, P. C. (2020). Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử của cột BTCT chịu nén lệch tâm bị hư hỏng do ăn mòn cốt thép và hiệu quả gia cường bằng vật liệu tấm sợi composite. Báo cáo tổng kết đề tài NCKH sinh viên, mã số XD-2020-31, Trường Đại học Xâydựng.

VLXD.org (TH/ Tạp chí KHCNXD)