Thông tin KHKT
Số 1-2001
Trờng Đại Học Giao Thông Vận Tải
Mục Nghiên cứu

nghiên cứu giải pháp tăng cờng cầu
bằng tấm polime cốt sợi các-bon (pcsc)
PGS.TS. Phạm Duy Hữu
PGS.TS. Nguyễn Viết Trung
TS. Hoàng Hà
KS. Mai Đình Lộc
KS. Đào Văn Đông
KS. Phạm Duy Anh
Tóm tắt:
Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu việc áp dụng tấm polime cốt sợi các-
bon (PCSC) cho việc tăng cờng khả năng chịu lực và chống nứt kết cấu cầu
thay thế cho phơng pháp dán bản thép đã đợc sử dụng ở Việt nam. Bài báo
trình bày về nguyên tắc cấu tạo, vật liệu polime cốt sợi các-bon, các dạng h
hỏng ở dầm cầu chịu tải trọng ôtô và các giải pháp thiết kế, công nghệ sửa
chữa cầu này.
1. Đặt vấn đề
Tấm mỏng polime cốt sợi các-bon (PCSC) ngày càng thay thế tấm thép mỏng
để gia cờng cho kết cấu cầu bê tông cốt thép. Việc thiết kế chống trợt và võng tuân
thủ theo thiết kế kết cấu bê tông cốt thép truyền thống. Phải xem xét tới độ biến
dạng tới hạn riêng của thép và tấm mỏng. Phơng pháp phân tích dàn ảo, mép của
tấm mỏng phải đợc neo vào phía ngoài của bê tông theo hớng của các lực kéo. Tấm
gia cờng bằng PCSC có thể phá vỡ do sự phá vỡ của độ dính bám dọc cùng với sự
dạn nứt của bê tông, nh đã đợc biết đến đối với các tấm thép. Kiểm tra về độ bám
dính đã chỉ ra rằng mô hình trớc đây về độ bám dính có thể thích ứng đợc cho tấm
PCSC.
ở Việt nam có rất nhiều cầu cũ và mới có nhiều vết nứt xuất hiện. Khi sử

dụng tấm PCSC để tăng cờng cầu ngoài khó khăn về giá thành cao;Các u điểm về
chống ăn mòn, khả năng chịu lực cao, thi công nhanh sẽ tạo ra tính khả thi của giải
pháp này.
Việc gia cờng các kết cấu bê tông bằng cách dán tấm thép tại mặt ngoài là
một công nghệ đã đợc kiểm chứng. Bất lợi của công nghệ này là nguy cơ cốt thép bị
ăn mòn tại vùng tiếp giáp và kết cấu nặng nề. Do vậy việc chống ăn mòn là cần
1
thiết. Việc bốc dỡ các kết cấu thép nặng cũng khó khăn. Vì những lý do này, các
tấm PCSC mỏng, nhẹ và cờng độ cao ngày càng thay thế tấm thép. Tấm PCSC có
các tính chất tuyệt vời về nhiều phơng diện liên quan đến độ bền lâu, hiện tợng mỏi
và vấn đề ăn mòn.
Tơng tự nh đối với tấm thép, đảm bảo độ bám dính cần thiết giữa bê tông và
tấm thép thông qua các mối tiếp giáp bằng epoxy là một yêu cầu cần phải có đối với
kết cấu đợc gia cờng. Điều này đặc biệt quan trọng đối với việc định vị các cạnh của
tấm. Để thiết kế, cần phải biết lực bám dính tối đa và kiểu rạn nứt. Ngoài các kiểu
rạn nứt nh đã quan sát thấy đối với tấm thép, tấm PCSC có thêm kiểu rạn nứt khác.
Việc kiểm định sâu rộng đã đợc thực hiện và mô hình về cờng độ bám dính đã đợc
phát triển.
2. Vật liệu
2.1. Tấm polime cốt sợi các-bon (PCSC) : Tấm này có cấu trúc nền là Epoxy và
cấu trúc sợi là sợi các-bon đặt chủ yếu theo chiều dọc, sợi ngang ít hơn, dệt và
vuông.
Tấm PCSC thơng phẩm có độ dày 1,0 - 1,5 mm và chiều rộng 50 - 100 mm.
Tấm này chứa 60 - 70% (theo thể tích) sợi các-bon với đờng kính khoảng 8àm đợc
rải theo hớng nhất định trong thảm epoxy. Sợi các-bon có mô-đun đàn hồi 240 - 900
MPa và cờng độ kéo 2.000 - 7.000 MPa.
Tính chất cơ học của tấm theo chiều dọc hầu nh bị chi phối mạnh mẽ bởi các
sợi các-bon. Tấm PCSC có mô-đun đàn hồi 150 - 300 MPa và cờng độ kéo 2.000 -
3.000 MPa. Tơng tự nh sợi các-bon, đờng biến thiên giữa ứng suất và độ biến dạng
của các tấm là tuyến tính đàn hồi cho đến khi bị phá hủy. Mặc dù vai trò của thảm

epoxy đối với cờng độ của các tấm là không đáng kể, nhng cờng độ kéo khoảng 60 -
90 MPa cao hơn rất nhiều so với cờng độ bê tông là yếu tố phải có để truyền các ứng
suất dính bám. Độ biến dạng cực đại cao 3 - 5 % đảm bảo sức chịu của các sợi đối
với toàn bộ ứng suất có thể có trong tấm.
Cờng độ tức thời của tấm polime cốt sợi các-bon thích hợp cho việc chịu tải
trọng của cầu. Độ co giãn do trợt và đồng trục cũng nh độ nới lỏng là không đáng
kể.
2.2. Chất kết dính : Chất kết dính phần lớn là epoxy hai thành phần trộn với cốt
liệu. Cờng độ kéo 30 MPa vợt hơn bê tông gấp 10 lần. Chất kết dính epoxy có độ
co ngót và biến dạng mỏi thấp, cũng nh sức đề kháng hoá học và chịu nhiệt cao. Các
2
chất keo dán cũng đã đợc thử nghiệm có kết quả và đợc bán kèm với tấm polime cốt
sợi các-bon (PCSC).
3. Nguyên tắc của phơng pháp gia cờng
Khả năng chịu uốn của cấu kiện cầu bê tông đợc nâng lên bằng cách gia cờng
thêm cốt thép tại vùng chịu nén. Trong phân tích theo dàn ảo, bản chất của cấu kiện
cầu bê tông cốt thép đã đợc gia cờng đợc mô tả khá tốt, tấm PCSC đại diện cho dây
chịu kéo đàn hồi theo đờng chéo. Để cân bằng, nó phải đợc nối với dây chịu nén
bằng các thanh giằng chịu kéo, mà cho đến nay chỉ đợc thực hiện bởi các tấm tấm
thép gắn vào bề mặt; tấm thép này ôm chặt vào tấm PCSC và đợc định vị tại vùng
chịu nén.
Vì tấm PCSC thờng trải dài đến trớc trụ đỡ nên tại các trụ đỡ lực kéo của tấm
tại điểm cuối của chiều dài phải đợc neo chặt vào vùng kéo.
Việc thiết kế để chịu uốn đợc tiến hành nh đối với bê tông cốt thép (BTCT)
truyền thống có nhiều lớp cốt thép với giả thiết biến dạng phẳng (Hình 1). Để ngăn
chặn sự phân tách của tấm với bê tông tại các vết nứt uốn và để tránh trạng thái tới
hạn của cốt thép dới tải trọng khai thác, biến dạng của tấm cho phép tại trạng thái
giới hạn cực đại không đợc phép vợt quá mức. Các phép thử uốn và thử thẳng trục
của tấm PCSC để gia cờng các mẫu BTCT cũng nh việc xem xét lý thuyết đã dẫn
đến các đề nghị sau đây về độ biến dạng cực đại của tấm :


lu

sy

lu

cu
/2
trong đó :

lu
: biến dạng cực đại đối với thiết kế chịu uốn

sy
: biến dạng tới hạn của cốt thép trong

cu
: biến dạng kéo cực đại của vật liệu composit PCSC
Giá trị thấp hơn đợc áp dụng.
Để duy trì yếu tố an toàn khu vực = 1,0 trong trờng hợp tấm bị phá hủy do
cháy, độ gia cờng R
s
đợc giới hạn nh sau :
R
s
= Muv/Muo 2
trong đó :
Muv : Momen uốn cực đại của thành phần đợc gia cờng
Muo : Momen uốn cực đại của thành phần không đợc gia cờng

3
Hình 1 : Biến dạng và lực của dầm BTCT đợc gia cờng bằng tấm PCSC
Thiết kế chống trợt cũng đợc tiến hành nh đối với thiết kế bê tông cốt thép
(BTCT) truyền thống, cụ thể là áp lực trợt cho phép phải đợc tính đến và cốt thép
chống trợt phải đúng kích cỡ. Cốt thép chống trợt ở ngoài phải ôm chặt vào tấm và
phải đợc neo vào phần chịu nén (Hình 1). Do các nguyên nhân cân bằng trong mô
hình kèo, cốt thép chống trợt ngoài là cần thiết, kể cả khi cốt thép chống trợt trong
đủ mạnh đối với các lực trợt tác động lên sau khi gia cờng. Theo đó, việc thiết kế
chống trợt phải đáp ứng hai yêu cầu sau:
1. Toàn bộ cốt thép trong và ngoài phải đủ số lợng và đúng kích cỡ để chống
lại lực trợt ở trạng thái đã gia cờng.
2. Cốt thép chống trợt ngoài phải đủ số lợng và đúng kích cỡ cho thành phần
V1 của toàn bộ lực trợt, nó tơng đơng với phần hấp phụ lực kéo của tấm
PCSC.
4.Thiết kế để neo tại phần cuối tấm PCSC
4.1. Mô tả vấn đề
Lực kéo của tấm (PCSC) tuân theo lực kéo nh trong phép ngoại suy vì kèo
(TA). Phân chia lực kéo của tấm trong toàn bộ lực kéo đợc xác định bằng tỷ lệ độ
cứng-kéo giữa cốt thép trong và ngoài. Tại các trụ cuối, tấm chạy dài cho đến trớc
trụ đỡ, cụ thể là trong vùng kéo.
4.2. Mô hình kỹ thuật của lực bám dính
Mô hình kỹ thuật của lực bám dính giữa cốt gắn kết và cấu kiện bê tông (của
Holzempfer) đợc phát triển giành cho vật liệu tấm đàn hồi tự do (Holzenkampfer,
1994). Mô hình này đã chứng tỏ khả năng dự đoán đợc lực gắn kết cực đại của tấm
4
thép gắn vào bê tông. Khả năng ứng dụng cho các tấm PCSC đã đợc khảo sát bằng
phép thử độ gắn kết trong các mẫu gối kép. Phép thử này biểu thị tơng đối tốt các
điều kiện truyền lực trong vùng neo các tấm PCSC. Hình 2 cho thấy cách bố trí phép
thử liên quan đến vùng neo.
Hình 2: Neo tấm và bố trí phép thử độ bám dính

Việc thiết lập mô hình dựa trên cơ sở phơng pháp cơ học phá hủy cho hiện t-
ợng phá huỷ bê tông dòn kiểu II, với phơng trình vi phân về độ bám dính trợt là điều
kiện tơng thích:

Với: s
1
: độ trợt khu trú giữa tấm và bê tông
K: hệ số liên quan đến tỷ lệ độ cứng của tấm/bê tông
E
1
: mođun đàn hồi của tấm
t
1
: độ dày của tấm

1
(s
1
): áp suất bám dính là hàm số của s
1
x: toạ độ
Phơng trình bám dính
1
(s
1
) trong hình 3 mô tả hiện tợng trợt-bám dính tro hệ
tấm-keo-bê tông; cạnh chéo lên biểu thị độ bám dính đàn hồi, cạnh dốc xuống biểu
thị độ bám dính dẻo trong vết nứt tại nơi gắn kết trong bê tông. Diện tích của tam
giác biểu thị năng lợng gãy G
F

, cần thiết để làm bong các tấm gắn kết tại số khu vực
và ảnh hởng đến cờng độ bám dính. Điều quan trọng cần ghi nhớ là
11
, s
11
, s
10
và G
F
5
(4) 0)s(
tE
K
dx
sd
1
11
2
1
2
=