Hội thảo Vật liệu xây không nung

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

27/07/2021 - 01:42

Thanh polymer cốt sợi thủy tinh (GFRP) với những ưu điểm như cường độ cao, không bị ăn mòn, không từ tính có thể được sử dụng như cốt chịu lực trong các kết cấu công trình bằng bê tông làm việc trong môi trường xâm thực. Bài viết này trình bày nghiên cứu thực nghiệm ứng xử uốn của dầm bê tông cốt hỗn hợp thép thanh GFRP (hay cốt SGFRP) bị ăn mòn bởi ion clorua. Hai mẫu dầm bê tông cốt SGFRP được chế tạo. Bên cạnh đó, để có sự đánh giá tương quan ảnh hưởng của thanh GFRP đến ứng xử của dầm, 2 mẫu dầm bê tông cốt thép thườngcó cùng cấu tạo cốt thép như dầm bê tông cốt hỗn hợp cũng được chế tạo.
>> Sự chịu uốn của dầm bê tông cốt hỗn hợp thép và polyme cốt sợi thủy tinh bị ăn mòn bởi ion Clorua (P1)

3. Phân tích và đánh giá kết quả

3.1. Tình trạng nứt do ăn mòn và mức độ ăn mòn

Khi cốt thép bị ăn mòn, sẽ dẫn đến tạo gỉ thép làm tăng thể tích cốt thép, gây ra lực đẩy có thể gây ra nứt, vỡ lớp bê tông bảo vệ.  Sau thời gian thí nghiệm ăn mòn đẩy nhanh 60 ngày, cả 04 mẫu dầm đều xuất hiện vết nứt trên bề mặt dầm và có thể quan sát được bằng mắt thường. Trên Hình 7 trình bày sơ đồ vết nứt xuất hiện ở mặt bên, (phía mặt bên xuất hiện nhiều vết nứt nhất) của 04 mẫu dầm thí nghiệm. Ở mặt phía dưới đáy dầm và mặt trên của các mẫu dầm, tình trạng nứt xảy ra ít hơn đáng kể, chỉ xuất hiện một vài vết nứt ngắn, dọc theo cốt thép có bề rộng từ 0,02 đến 0,05 mm. Các vết nứt do ăn mòn cốt thép chủ yếu ở mặt bên của dầm, xuất hiện ở cao độ cốt thép vùng chịu kéo và vùng chịu nén, dọc theo chiều dài thanh cốt thép, có bề rộng nằm trong khoảng 0,12 mm đến 0,19 mm. Bên cạnh đó, xuất hiện một số vết nứt cục bộ, theo phương thẳng đứng, có bề rộng nhỏ. Trong trường hợp
này, do chiều dày lớp bê tông bảo vệ ở mặt bên của cả 04 mẫu dầm thí nghiệm đều như nhau nên có thể thấy tình trạng nứt khá tương đồng trên các mẫu dầm BTCT và dầm cốt SGFRP. Sự có mặt của thanh GFRP đặt ở phía ngoài cốt thép không có ảnh hưởng đáng kể đến tình trạng nứt trên bề mặt dầm do cốt thép bị ăn mòn gây ra.


Hình 7. Sơ đồ vết nứt ở mặt bên của các mẫu dầm thí nghiệm.

Để xác định tình trạng ăn mòn cốt thép, sau khi tiến hành thí nghiệm uốn, tiến hành đập vỡ các mẫu dầm để lấy các thanh cốt thép. Có thể thấy tình trạng ăn mòn xảy ra trên các cốt thép dọc vùng kéo (∅12), vùng nén (∅10) và cốt thép đai. Trên Hình 8 trình bày hình ảnh của thanh cốt thép ∅12 và thanh GFRP trước và sau khi tiến hành thí nghiệm ăn mòn đẩy nhanh. Có thể thấy thanh GFRP không bị ăn mòn bởi ion clorua. Như đã trình bày ở trên, ưu điểm này cho thấy khả năng sử dụng thanh GFRP làm cốt chịu lực trong kết cấu bê tông ở môi trường xâm thực
 

Hình 8. Hình ảnh cốt thép và cốt GFRP trước và sau thí nghiệm ăn mòn điện hóa.

 
Đối với mỗi dầm thí nghiệm, để xác định đến sự hao hụt khối lượng (hay sự suy giảm đường kính) của các thanh cốt thép ∅12 do ăn mòn, lấy 02 mẫu thép để xác định khối lượng. Các mẫu thép có chiều dài 1000 mm, được lấy ở vùng giữa nhịp dầm (để có cơ sở phân tích sự làm việc chịu uốn của các mẫu dầm này). Sau khi làm sạch bề mặt các thanh cốt thép (sử dụng chất tẩy gỉ thép chuyên dụng B05 do Viện KHCN Xây dựng IBST sản xuất để làm sạch gỉ trên bề mặt cốt thép, sau đó rửa bằng nước sạch), tiến hành cân xác định trong lượng bằng cân điện tử (độ chính xác đến 1 gam). Kết quả xác định sự hao hụt khối lượng của cốt thép trong các mẫu dầm được trình bày trong Bảng 2.


Hình 9. Cân xác định khối lượng thanh cốt thép sau khi bị ăn mòn.



3.2. Ứng xử chịu uốn của các mẫu dầm thí nghiệm

a. Quan hệ tải trọng chuyển vị của các mẫu dầm thí nghiệm

Trên Hình 10 trình bày các biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và độ võng (P - f) của 04 mẫu dầm thí nghiệm. Các giá trị tải trọng và độ võng đặc trưng của các mẫu dầm thí nghiệm được trình bày ở Bảng 3. Đây đều là các mẫu dầm đã có các vết nứt trước do cốt thép bị ăn mòn gây ra. Có thể thấy sự làm việc của các mẫu dầm bê tông cốt thép và bê tông cốt hỗn hợp đều có chung các giai đoạn sau:

Giai đoạn làm việc ban đầu, tương ứng với đoạn OA. Điểm A có sự thay đổi độ dốc của biểu đồ P - f cho thấy đây là thời điểm xuất hiện thêm các vết nứt mới do mô men uốn gây ra trên dầm. Trong giai đoạn này, có thể quan hệ tải trọng độ võng của cả 04 dầm không có sự chênh lệch. Điều này cho thấy, khi tải trọng còn nhỏ, hầu như thanh GFRP chưa tham gia làm việc, ứng xử của dầm bê tông cốt SGFRP tương tự như dầm BTCT. Giai đoạn tiếp theo là giai đoạn AB, trong đó B là điểm thay đổi độ dốc lần thứ 2 của biểu đồ P - f, tương ứng với thời điểm cốt thép chịu kéo bị chảy dẻo. Tại điểm này, xác định được giá trị tải trọng gây chảy dẻo cốt thép, ký hiệu Py. Trong giai đoạn này, có thể thấy độ cứng của các mẫu dầm cốt SGFRP cao hơn so với dầm BTCT thông qua việc giảm độ võng của dầm bê tông cốt hỗn hợp so với dầm BTCT ở cùng cấp tải trọng. Điều này cho thấy sự tham gia làm việc của thanh GFRP góp phần gia tăng độ cứng của dầm. Như vậy, trong trường hợp dầm cốt SGFRP bị ăn mòn, vai trò của thanh GFRP vẫn được phát huy tương tự như kết quả thu được khi thí nghiệm các mẫu dầm bê tông cốt SGFRP không bị ăn mòn [8-14]. Giai đoạn BC là giai đoạn sau khi cốt thép vùng chịu kéo bị chảy dẻo. Với dầm BTCT cốt thép, đây là giai đoạn thể hiện sự làm việc của bê tông vùng nén, tuy nhiên có thể thấy sự tham gia chịu lực của bê tông vùng nén là không đáng kể. Với dầm bê tông cốt SGFRP, giai đoạn này thể hiện rõ sự tham gia chịu lực của thanh GFRP. Điểm C ứng với thời điểm bê tông vùng nén bị ép vỡ, cho phép xác định tải trọng cực hạn gây phá hoại dầm, Pul. Theo kết quả trình bày ở Bảng 3, tỷ số giữa tải trọng cực hạn và tải trọng gây chảy dẻo cốt thép Pul=Py có giá trị trung bình bằng 1,55. So với các kết quả thu được trong nghiên cứu [8], với dầm bê tông sử dụng cốt SGFRP tương tự, có tỷ số trên bằng 1,92, thì có thể nhận thấy với dầm cốt SGFRP khi bị ăn mòn, sự tham gia chịu lực của thanh GFRP bị suy giảm. Điều này được giải thích do sự suy giảm khả năng bám dính giữa thanh GFRP với bê tông vùng chịu kéo do đã xuất hiện các vết nứt do cốt thép bị ăn mòn gây ra. 


Hình 10. Quan hệ tải trọng - độ võng của các mẫu dầm thí nghiệm.


b. Sự phát triển vết nứt và cơ chế phá hoại của các mẫu dầm

Trên Hình 11 trình bày sơ đồ vết nứt trên các mẫu dầm dưới tác dụng của tải trọng thí nghiệm. Có thể thấy với 02 mẫu dầm bê tông cốt SGFRP, số lượng vết nứt xuất hiện nhiều hơn so với hai mẫu dầm BTCT. Sự bám dính giữa thanh GFRP và bê tông có vai trò trong việc tăng cường sự làm việc của bê tông vùng chịu kéo, qua đó giúp phân tán các vết nứt nhiều hơn và hạn chế sự mở rộng của các vết nứt. Với hai mẫu dầm bê tông cốt SGFRP, số lượng vết nứt trên dầm D-G-05-1 nhiều hơn hẳn so với dầm D-G-05-2. Kết quả này cũng phù hợp với các biểu đồ tải trọng - độ võng của 02 dầm này được trình bày trên Hình 9 trong đó ứng xử uốn của dầm D-G-05-1 tốt hơn so với dầm D-G-05-2.
 

Hình 11. Sơ đồ vết nứt trên các mẫu dầm khi thí nghiệm uốn.

 
Cơ chế phá hoại của các mẫu dầm BTCT D-05-1 và D-05-2 là phá hoại dẻo, do cốt thép vùng kéo bị chảy dẻo và bê tông vùng nén bị ép vỡ. Với 02 mẫu dầm cốt SGFRP, sự phá hoại là phá hoại dòn, do bê tông vùng nén bị ép vỡ (Hình 12). Tại thời điểm này, thanh GFRP chưa bị đứt. Cơ chế phá hoại này cũng tương tự như đối với các dầm cốt SGRP không bị ăn mòn [7-14]. Như vậy, với dầm bê tông cốt SGFRP bị ăn mòn, cần phải lưu ý dạng phá hoại này vì đây là dạng phá hoại đột ngột, không có cảnh báo trước.


Hình 12. Phá hoại điển hình của dầm BTCT và cốt SGFRP do bê tông vùng nén bị ép vỡ.

4. Kết luận

Nội dung bài báo trình bày nghiên cứu thực nghiệm ứng xử của dầm bê tông cốt SGFRP bị ăn mòn. Dựa trên các kết quả đạt được, có thể rút ra những kết luận chính sau đây:

- Thông qua thí nghiệm ăn mòn cốt thép đẩy nhanh, cho phép tạo ra được tình trạng nứt trên kết cấu dầm bê tông cốt thép và dầm bê tông cốt SGFRP. Với dầm bê tông cốt SGFRP, khi thí nghiệm ăn mòn điện hóa, thanh GFRP không bị ăn mòn và không ảnh hưởng tình trạng nứt trên bề mặt dầm do ăn mòn cốt thép gây ra.

- Ứng xử uốn của dầm bê tông cốt SGFRP bị ăn mòn cốt thép gồm các giai đoạn làm việc đặc trưng tương tự với dầm bê tông cốt SGFRP không bị ăn mòn cốt thép. Sự có mặt của thành GFRP góp phần làm tăng độ cứng của dầm. Đồng thời, thông qua sự bám dính giữa GFRP và bê tông cho phép phân tán đều các vết nứt vùng kéo do mô men uốn gây ra, hạn chế độ mở rộng của vết nứt.

- Do bê tông vùng kéo bị nứt do ăn mòn cốt thép, nên khả năng tham gia chịu lực của thanh GFRP có sự suy giảm so với trường hợp dầm không hư hỏng do ăn mòn. Bên cạnh đó, cần lưu ý dạng phá hoại của dầm SGFRP bị ăn mòn là phá hoại dòn, do bê tông vùng nén bị ép vỡ. Đây là điều cần lưu ý khi áp dụng giải pháp cốt SGFRP cho kết cấu dầm bê tông.
(Hết)

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)

Ý kiến của bạn

MẠNG THÔNG TIN VẬT LIỆU XÂY DỰNG VIỆT NAM

P 504, nhà A, số 3 Chùa Láng, Đống Đa, TP. Hà Nội.

024 ‭6276 4286 - Hotline: 0905 329 019

gamma.vlxd@gmail.com - Website: vatlieuxaydung.org.vn/ vlxd.org

- Giấy phép số 3374/GP-TTĐT do Sở TT&TT Hà Nội cấp ngày 28/6/2016
- Cơ quan chủ quản: Trung tâm Thông tin và Chuyển giao công nghệ VLXD - Hội VLXD Việt Nam
- Người chịu trách nhiệm nội dung: ThS. Lương Xuân Tuân - Mobile: 0913 513 465
- Vận hành và phát triển: Công ty Gamma NT
Vui lòng ghi rõ nguồn "vatlieuxaydung.org.vn" khi phát hành lại thông tin từ website này.