Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử của dầm bê tông cốt thủy tinh (GFRP) so với dầm bê tông cốt thép

Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử của dầm bê tông cốt thủy tinh (GFRP) so với dầm bê tông cốt thép

An Experimental Study on the Behaviour of Glass Fiber-Reinforced Polymer (GFRP) RC Beam in Comparison with Steel RC beam.

Trần Ngọc Thạch, Lê Công Bằng, Nguyễn Lâm Bình, Trịnh Minh Duy, Nguyễn Mai Chí Trung

 Bộ môn Kỹ thuật Xây dựng – Khoa Kỹ thuật và Công nghệ – Đại học Quy Nhơn, 170 An Dương Vương, TP. Quy Nhơn

Email: chitrung.dhqn@gmail.com, Số điện thoại: 0914749688

 TÓM TẮT

Bài báo này trình bày một nghiên cứu thực nghiệm về sự làm việc chịu uốn của dầm bê tông cốt thủy tinh (GFRP) và cốt thủy tinh kết hợp cốt thép so với dầm bê tông cốt thép. Sáu dầm bê tông được gia cường bởi cốt thép và cốt GFRP đã được thí nghiệm cho đến khi dầm bị phá hoại. Ứng xử của dầm trước và sau khi nứt, từ khi cốt thép chảy dẻo đến khi dầm bị phá hoại được trình bày thông qua quan hệ tải trọng – độ võng. Kết quả thí nghiệm cho thấy khả năng chịu lực của dầm có cốt GFRP lớn hơn gần hai lần so với dầm bê tông cốt thép.

Từ khóa: cốt sợi thủy tinh (GFRP), cốt thép, độ võng, bề rộng vết nứt.      

ABSTRACT

This paper presents an experimental study on the behaviour of glass fiber-reinforced polymer (GFRP) RC beam in comparison with steel RC beam. Six concrete beams are reinforced by reinforcing bars and GFRP reinforcement. These beams were tested until they were collapsed. The behaviour of the beams post- and pre-cracking, yielding steel and failure are presented through the load – deflection relationship. Experimental results show that the bearing capacity of GFRP beams is nearly double that of the RC beams.

Keywords: glass fiber-reinforced polymer (GFRP), steel, deflection, crack width.

1  Giới thiệu chung

Cốt thủy tinh (GFRP) là vật liệu composit được chế tạo và sử dụng từ những thập niên 70 của thế kỷ 20 tại Mỹ, sau đó được nghiên cứu và phát triển ra nhiều nước khác trên thế giới như: Trung Quốc (1982), các nước Châu Âu (1986) và Nhật Bản (1990) [1, 2].

Ưu điểm của cốt GFRP: cường độ chịu kéo cao gấp ba đến bốn lần và có khối lượng riêng bằng 1/4 đến 1/6 (GFRP: 1,25-2,1 g/cm³) so với cốt thép thường (Thép: 7,9 g/cm³), bền trong môi trường axit và bazơ, không có tính nhiễm từ. Cốt GFRP rất phù hợp với môi trường chịu xâm thực mạnh như các công trình ở vùng ven biển, hải đảo.

Nhược điểm của cốt GFRP: làm việc đàn hồi cho đến khi bị đứt, không có thềm chảy, hình 1. Mô đun đàn hồi thấp do đó vết nứt trong kết cấu bê tông cốt GFRP hình thành sớm hơn và rộng hơn so với kết cấu bê tông cốt thép (BTCT), đồng thời cốt GFRP chịu lửa kém.

Hiện nay, nhiều quốc gia trên thế giới đã sử dụng thanh polymer cốt sợi thủy tinh (Glass Fiber Reinforced Polymer – FRP) để làm cốt gia cường cho kết cấu bê tông. Trong các loại kết cấu bê tông sử dụng cốt GFRP, cấu kiện chịu uốn như dầm, bản được sử dụng phổ biến nhất do phát huy được đặc tính của thanh GFRP là có cường độ chịu kéo cao, nhưng cường độ chịu nén khá thấp. Sự phá hoại kéo đứt của thanh GFRP là tương đối đột ngột. Do đó, trong tiêu chuẩn của nhiều nước xem trường hợp phá hoại này là nguy hiểm hơn phá hoại giòn do vỡ bê tông vùng nén [3].

Ở nước ta, gần đây thanh GFRP đã được chế tạo. Việc nghiên cứu để nâng cao hiệu quả sử dụng thanh GFRP trong xây dựng công trình là rất cần thiết. Với sự giúp đỡ cung cấp các thanh GFRP từ Trường Đại học Giao thông vận tải, nhóm tác giả đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm cho sáu dầm BTCT, dầm BTCT kết hợp cốt GFRP và dầm bê tông cốt GFRP. Nghiên cứu này được thực hiện tại phòng thí nghiệm kết cấu công trình của Trường Đại học Quy Nhơn, đã phân tích ứng xử và khả năng chịu lực của các dầm, qua đó đưa ra các khuyến nghị cho việc thiết kế và thi công dầm bê tông cốt GFRP đạt hiệu quả cao hơn.

Hình 1. Biểu đồ ứng suất – Biến dạng

2  Chương trình thí nghiệm

2.1  Mục đích thí nghiệm

Mục đích của thí nghiệm là nghiên cứu sự làm việc của các dầm bê tông được gia cường cốt khác nhau, cốt thép nhóm CI và cốt GFRP, các dầm chịu tải trọng tác dụng cho đến khi bị phá hoại. Xác định tải trọng và độ võng của dầm khi bê tông bắt đầu nứt, khi cốt thép bắt đầu chảy dẻo và dầm bị phá hoại. Quan sát sự hình thành và phát triển vết nứt, bề rộng vết nứt, cơ cấu phá hoại của dầm. Xây dựng quan hệ tải trọng – độ võng, từ đó đánh giá khả năng chịu lực của các dầm khi sử dụng cốt gia cường khác nhau.

2.2  Mẫu thí nghiệm

Mẫu thí nghiệm là sáu dầm bê tông có cùng kích thước 0.12×0.15×1 m. Cốt đai trong tất cả các dầm dùng cốt thép nhóm CI, đường kính 6 mm, khoảng cách giữa các đai là 75 mm.  Cốt dọc dùng cốt thép nhóm CI và cốt GFRP có cùng đường kính 8 mm.  Sáu dầm bê tông, trong đó có ba dầm BTCT B1_CI_C20 được thiết kế giống nhau, mục đích để kiểm tra sự hội tụ của kết quả và làm tham chiếu cho các dầm còn lại; một dầm B2_CI_GFRP_C20 được gia cường cốt thép ở mặt trên và cốt GFRP ở mặt dưới của dầm, mục đích để đánh giá khả năng chịu lực của dầm khi thay cốt thép trong vùng kéo bằng cốt GFRP; một dầm B3_CI_GFRP_C40 có cấu tạo giống dầm B2_CI_GFRP_C20 nhưng chiều dày lớp bê tông bảo vệ được tăng lên thành 40 mm, mục đích để nghiên cứu ảnh hưởng của chiều cao làm việc đến khả năng chịu lực của dầm có cốt GFRP so với dầm BTCT; một dầm B4_GFRP_C20 được gia cường cốt GFRP ở cả mặt trên và mặt dưới của dầm, mục đích để khảo sát ứng xử của bê tông vùng nén và khả năng chịu lực của dầm. Chi tiết về mẫu thí nghiệm được trình bày trong bảng 1, các mặt cắt tiết diện ngang của mẫu và gia công chế tạo mẫu xem hình 2 và hình 3.

Hình 2. Mặt cắt các mẫu thí nghiệm

Hình 3. Gia công chế tạo mẫu dầm BTCT và bê tông cốt GFRP

Bảng 1. Chi tiết mẫu thí nghiệm

STT	Tên mẫu	Số lượng (mẫu)	Cốt dọc		Hàm lượng ì (%)	Lớp bê tông bảo vệ (mm)
			Mặt trên dầm	Mặt dưới dầm
1	B1_CI_C20	3	2ö8 – CI	2ö8 – CI	0.70	20
2	B2_CI_GFRP_C20	1	2ö8 – CI	2ö8 – GFRP	0.70	20
3	B3_CI_GFRP_C40	1	2ö8 – CI	2ö8 – GFRP	0.70	40
4	B4_GFRP_C20	1	2ö8 – GFRP	2ö8 – GFRP	0.70	20

Giải thích ký hiệu tên mẫu: (B): dầm _ (CI): cốt thép nhóm CI_ (GFRP): cốt thủy tinh_ (C): chiều dày lớp bê tông bảo vệ.

Tại các vị trí gối tựa và vị trí tác dụng tải trọng, các tấm thép kích thước 120×100×8 mm được đặt vào trong dầm để tránh sự tập trung ứng suất. Các dầm được quét vôi để dễ quan sát vết nứt.

Tính chất cơ lý của vật liệu chế tạo dầm được cho trong bảng 2, trong đó, cường độ chịu nén của bê tông ở 28 ngày tuổi được xác định từ việc nén ba mẫu chuẩn 150×150×150 mm, cường độ chịu kéo của thanh GFRP được cung cấp bởi nhà sản xuất.

Bảng 2. Tính chất cơ lý của vật liệu

Bê tông			Cốt thép (ö8 – CI)			Thanh GFRP (ö8)
Cấp độ bền	Độ sụt (cm)	R28 (MPa)	Giới hạn chảy, fy (MPa)	Giới hạn bền   fu (MPa)	Mô đun đàn hồi, Es (MPa)	Giới hạn chảy     fy (MPa)	Giới hạn bền   fu (MPa)	Mô đun đàn hồi, Efrp (MPa)
B20	10.5	29.32	394.14	520.78	21×104	Không có	1036,9	45×103

Các mẫu dầm được thiết kế sẽ xảy ra phá hoại do uốn, tránh xảy ra phá hoại do cắt khi thí nghiệm, vì vậy các đai được bố trí dày với khoảng cách 75mm để đảm bảo khả năng chịu cắt của dầm lớn hơn hẳn khả năng chịu uốn.

2.3  Sơ đồ thí nghiệm

Sơ đồ thí nghiệm là dầm đơn giản chịu uốn tại bốn điểm, hai đầu kê lên gối cố định và gối di động, hình 4.

Thiết bị thí nghiệm: thiết bị gia tải là máy uốn nén Cooper/TC-5540, với khả năng gia tải tối đa 200 kN; một Indicator được đặt ở mặt trên của dầm để đo độ võng ở giữa dầm; kính hiển vi TC-3150 được dùng để đo bề rộng vết nứt của dầm; một máy tính được kết nối với máy gia tải để ghi lại giá trị lực trong quá trình thí nghiệm.

Hình 4. Sơ đồ bố trí thí nghiệm

2.4  Quy trình thí nghiệm

Sau khi lắp đặt mẫu vào máy gia tải và cân chỉnh thiết bị đo, các dầm được tiến hành thí nghiệm theo qui trình sau đây. Một dầm được dùng để làm thí nghiệm thử, mục đích để kiểm tra hoạt động của các thiết bị đo, căn cứ vào lực phá hoại của dầm này theo thí nghiệm kết hợp với lực phá hoại được tính từ lý thuyết để chọn thang lực thí nghiệm phù hợp cho các dầm thí nghiệm chính, đồng thời để điều chỉnh tốc độ gia tải. Thang lực lớn nhất được đặt là 80 kN cho tất cả các dầm. Tốc độ gia tải 0.03 kN/s, với tốc độ này đủ thời gian để quan sát vết nứt hình thành và phát triển.

Trong quá trình thí nghiệm cần quan sát kỹ bê tông vùng kéo để phát hiện vết nứt đầu tiên của dầm và ghi lại giá trị tải trọng gây nứt (P_crack), đồng thời cũng có thể biết được giá trị P_crack từ biểu đồ quan hệ tải trọng – thời gian (P-t) từ màn hình máy tính. Quan sát các vết nứt hình thành và phát triển, đồng thời tiến hành vẽ lại và đánh số thự tự theo sự xuất hiện của vết nứt, hình 5. Đo bề rộng vết nứt ứng với lực trước khi dầm bị phá hoại cho mỗi dầm thí nghiệm. Theo dõi biến dạng của bê tông vùng nén và cốt GFRP để xác định nguyên nhân và cơ cấu phá hoại của dầm. Điều kiện dừng thí nghiệm là dầm đã bị phá hoại, tức là thời điểm lực bắt đầu giảm dần trên biểu đồ (P-t).

Hình 5. Vẽ lại và đánh số thứ tự xuất hiện vết nứt

3  Kết quả thí nghiệm

3.1 Sự hình thành và phát triển vết nứt, cơ cấu phá hoại

Các dầm được gia tải đến tải trọng P ≈ 6 kN thì xuất hiện vết nứt ở bê tông vùng kéo. Tải trọng tiếp tục tăng thì vết nứt phát triển dần lên vùng bê tông chịu nén, đạt gần 90% chiều cao của dầm và có bề rộng vết nứt vượt quá giới hạn nứt cho phép, theo [4] giới hạn bề rộng vết nứt là 0.7mm với kết cấu trong nhà. Quan sát thực nghiệm cho thấy dầm BTCT B1_CI_C20, có số lượng vết nứt ít hơn, khoảng 50% so với các dầm có gia cường cốt GFRP, đồng thời chiều cao vết nứt thấp hơn, hình 6.  Bề rộng vết nứt của các dầm B2_CI_GFRP_C20, B3_CI_GFRP_C40 và B3_GFRP_C20 lớn hơn so với dầm B1_CI_C20 nhưng khoảng cách giữa các vết nứt nhỏ hơn, vì mô đun đàn hồi của cốt GFRP (45×10³ MPa) nhỏ hơn nhiều so với mô đun đàn hồi của cốt thép (21×10⁴ MPa) dẫn đến biến dạng của cốt GFRP lớn hơn cốt thép.

a)	b)
c)	d)

Hình 6. Sự phát triển vết nứt và cơ cấu phá hoại của dầm

Cơ cấu phá hoại: dầm BTCT bị phá hoại trên tiết diện thẳng góc (phá hoại do mô men uốn), đây là trường hợp phá hoại cân bằng, hình 6a. Các dầm có gia cường cốt GFRP ở hình 6b và hình 6d bị phá hoại trên tiết nghiêng do lực cắt, các thanh GFRP đã đứt, trường hợp phá hoại này do cốt đai bị tuột. Với dầm B4_GFRP_C20, bị phá hoại tương đối đột ngột và nguy hiểm, khi phá hoại dầm bị gãy làm đôi như dầm bê tông không có cốt thép, hình 6d. Dầm B3_CI_GFRP_C40 bị phá hoại trên tiết diện thẳng góc, tại thời điểm phá hoại ứng suất trong thanh GFRP gần đạt cường độ cực hạn, và biến dạng trong bê tông vùng nén đạt tới giá trị biến dạng cực hạn của bê tông, hình 6c.

3.2 Quan hệ giữa tải trọng – độ võng

a)	b)
c)	d)
e)	f)

Hình 7. Quan hệ tải trọng – độ võng của các dầm

Trên đường P-d cần xác định giá trị tải trọng và độ võng ứng với ba thời điểm chính, khi bê tông bắt đầu nứt (P_cr; d_cr), khi cốt thép bắt đầu chảy dẻo (P_y; d_y), khi dầm bị phá hoại (P_u; d_u). Từ hình 7a cho thấy, kết quả đường P-d của ba mẫu dầm BTCT khá hội tụ, lấy đường P-d trung bình từ ba mẫu này và đặt tên là B1_CI_C20_Avg để làm tham chiếu cho các dầm khác, hình 7b.

Từ hình 7c, 7d, 7e cho thấy, ứng xử của dầm BTCT khác với các dầm có gia cường cốt GFRP, dầm BTCT có ba giai đoạn làm việc rõ ràng, còn dầm GFRP chỉ có hai giai đoạn làm việc là trước và sau khi bê tông bị nứt. Trước khi bê tông bị nứt đường P-d của các dầm rất gần nhau, sau khi bê tông bị nứt các dầm cố cốt GFRP cho độ dốc của đường P-d nhỏ hơn so với dầm BTCT vì mô đun đàn hồi của cốt GFRP nhỏ hơn nhiều so với cốt thép.

Từ bảng 3 và hình 7d cho thấy, khả năng chịu lực của dầm có cốt GFRP cao gần hai lần so với dầm BTCT, kể cả chiều cao làm việc của dầm có cốt GFRP (B3_CI_GFRP_C40) nhỏ hơn chiều cao này của dầm BTCT (B1_CI_C20_Avg). Độ võng của dầm có cốt GFRP lớn hơn dầm BTCT. Với dầm B4_GFRP_C20, đặt cốt GFRP vào cả vùng nén và kéo đã làm tăng khả năng chịu tải của dầm lên đáng kể so với việc chỉ đặt cốt GFRP vào vùng kéo.

 

Bảng 3. Giá trị tải trọng và độ võng của các dầm

Dầm	Khi bê tông bắt đầu nứt		Khi dầm bị phá hoại		Chênh lệch
	dcr (mm)	Pcr (kN)	du (mm)	Pu (kN)	du  (lần)	Pu (lần)
B1_CI_C20                     (1)	0.19	5.83	12.72	30.69	–	–
B2_CI_GFRP_C20        (2)	0.31	5.97	14.13	52.14	(2)/(1):          1.11	(2)/(1):          1.70
B3_CI_GFRP_C40        (3)	0.38	6.06	19.02	51.34	(3)/(1):          1.50	(3)/(1):          1.67
B4_GFRP_C20              (4)	0.28	5.98	16.52	59	(4)/(1):          1.30	(4)/(1):          1.92

4  Kết luận

Nghiên cứu thực nghiệm về dầm bê tông cốt GFRP cho thấy sự làm việc chịu uốn của dầm có nhiều điểm khác biệt so với dầm bê tông cốt thép thông thường. Vết nứt của dầm bê tông cốt GFRP nhiều hơn dầm bê tông cốt thép, đồng thời bề rộng và chiều cao của vết nứt cũng lớn hơn. Phá hoại của dầm xảy ra do đứt cốt GFRP là khá đột ngột, đặc biệt khi hàm lượng cốt nhỏ hơn hàm lượng cân bằng.

Khả năng chịu lực của dầm bê tông cốt GFRP cao hơn gần hai lần so với dầm bê tông cốt thép thông thường khi có cùng hàm lượng cốt. Độ võng của dầm bê tông cốt GFRP lớn hơn khá nhiều so với dầm bê tông cốt thép.

Để khắc phục nhược điểm chịu nhiệt kém của cốt GFRP, có thể tăng chiều dày lớp bê tông bảo vệ gấp đôi so với chiều dày lớp bê tông bảo vệ của dầm bê tông cốt thép, trong trường hợp này khả năng chịu lực của dầm bê tông cốt GFRP vẫn cao hơn 1.5 lần so với dầm bê tông cốt thép thông thường.

Cốt GFRP có cường độ cao, để khai thác hiệu quả cường độ của cốt GFRP thì nên sử dụng bê tông có cấp độ bền từ B25 trở lên.

Trong thời gian tới, để có thể ứng dụng rộng rãi cốt GFRP vào công trình xây dựng, cần có nhiều nghiên cứu thực nghiệm hơn nữa để hiểu rõ hơn về ứng xử của kết cấu khi sử dụng loại cốt này. Cần xây dựng tiêu chuẩn thiết kế dựa trên điều kiện xây dựng và sản xuất cốt GFRP tại Việt Nam.

 

TÀI LIỆU THAM KHẢO

• Nguyễn Hiệp Đồng, Đỗ Trường Giang và Phạm Phú Tình (2016), “Nghiên cứu ứng xử của dầm bê tông cốt thủy tinh (GFRP) bằng thực nghiệm trên tiết diện thẳng góc”, Hội nghị Khoa học toàn quốc Cơ học Vật rắn biến dạng lần thứ XII, Đại học Duy Tân, Đà Nẵng, tr. 465-471.
• Lau, D. and Pam, H. J. (2010), “Experimental study of hybrid FRP reinforced concrete beams”, Engineering Structures 32: 3857-3865.
• Nguyễn Hùng Phong (2014), “Nghiên cứu thực nghiệm sự làm việc của dầm bê tông có cốt polyme sợi thủy tinh hàm lượng thấp”, Tạp chí xây dựng, Bộ xây dựng, số 9, tr. 61-65.
• ACI 440.1R-06 (2006), Guide for the Design and construction of structures concrete Reinforced with FRP Bars, American Concrete Institute.