Sửa chữa, tăng cường cầu bằng công nghệ dán tấm FRP

Từ khóa: Sửa chữa và tăng cường cầu, vật liệu polyme cốt sợi.
Abstract: The using of FRP plate in repairing and strengthening old bridges in Vietnam becomes more and more popular and gives some positive results. This paper mentions some problem to be studied in order to have a standard application of this type of material in repairing and strengthening bridges.

Keywords: Repairing and strengthening bridges fibre reinforce polymer (FRP)

1. Đặt vấn đề
Trên thế giới, vật liệu polymer có cốt bắt đầu được nghiên cứu tại Mỹ từ những năm 1930 và bắt đầu được ứng dụng rộng rãi để sửa chữa và tăng cường kết cấu bê tông cốt thép từ cuối những năm 1970 tại châu Âu (xem [ACI 440, 2008],  [FIB, 2001]). Đầu tiên, vật liệu polymer có cốt được sử dụng để thay thế cho bản thép dán ngoài trong công nghệ dán bản thép để tăng cường kết cấu dầm bê tông cốt thép chịu uốn. Sau đó từ những năm 1980 tại Nhật Bản, công nghệ này được mở rộng để tăng cường cột bê tông cốt thép chịu nén thông qua việc tăng cường khả năng kiềm chế nở hông của cột. Hiện tại, vật liệu polymer có cốt đã được sử dụng cho bản bê tông cốt thép và bắt đầu được nghiên cứu để ứng dụng cho kết cấu thép và kết cấu liên hợp thép – bê tông cốt thép (xem [Dawood, et al., 2010]). Trong khoảng mười năm trở lại đây, vật liệu polymer cốt sợi thủy tinh và cốt sợi carbon dạng mềm đã được áp dụng rộng rãi trong tăng cường kết cấu nhịp cầu dầm bê tông cốt thép thường và bê tông côt thép dự ứng lực tại Việt Nam. Công nghệ này đã khẳng định được các ưu điểm chính về mặt thi công, lắp đặt như thi công nhanh chóng, không cần nhiều thiết bị máy móc, tốn ít nhân công, tính  mỹ thuật. Tuy nhiên sau một thời gian sử dụng, công nghệ này gặp phải một số vấn đề đòi hỏi nghiên cứu sâu sắc hơn. Bài báo này giới thiệu chung về công nghệ sử dụng vật liệu polymer cốt sợi mềm trong tăng cường, sửa chữa cầu và nêu ra các nội dung chính về mặt kỹ thuật cần phải nghiên cứu để có thể áp dụng công nghệ này vào Việt Nam một cách rỗng rãi và có cơ sở hơn.
2. Những vấn đề cần nghiên cứu khi áp dụng công nghệ thi công tấm dán polymer có cốt tại Việt Nam
Vật liệu polymer có cốt (Fiber Reinforced Polymer – FRP) sử dụng ba loại vật liệu chính làm cốt:
- Cốt sợi thủy tinh (GFRP);
- Cốt sợi aramid (AFRP);
- Cốt sợi carbon (CFRP).
Trong đó, vật liệu polymer cốt sợi carbon được sử dụng nhiều hơn do có cường độ cao và mô đun đàn hồi lớn vật liệu polymer cốt sợi thép.

Hình 2.1: Cấu tạo vật liệu Polymer cốt sợi mềm (FRP)

Một số nội dung cần nghiên cứu hoàn thiện để ứng dụng công nghệ này vào điều kiện Việt Nam được lần lượt trình bày dưới đây.

2.1. Về công nghệ thi công

Công nghệ thi công tấm dán FRP hiện tại được áp dụng tại bao gồm hai nhóm chính: Dán khô và dán ướt. Với cả hai công nghệ này, quá trình thi công đều phải đảm bảo mặt bê tông khô ráo, không bị ẩm. Ngoài ra, thời gian sử dụng của các loại keo epoxy 2 thành phần đều có thời gian công tác phụ thuộc vào nhiệt độ. Khi nhiệt độ môi trường tăng lên, thời gian công tác của các loại keo giảm. Nhà sản xuất keo cũng khuyến cáo không tiến hành trộn keo khi nhiệt độ môi trường nóng hơn 35ºC [FYFE, 2012]. Như vậy có thể thấy khả năng công tác của các loại keo này không hoàn toàn phù hợp với điều kiện môi trường ẩm và nóng. Do vậy, vấn đề cần đặt ra là cần nghiên cứu điều chỉnh tính chất vật liệu hoặc tỉ lệ các thành phần để cải thiện khả năng công tác của keo. Trong trường hợp chưa có những nghiên cứu về vật liệu, cần có phân tích, nghiên cứu về độ tin cậy của chất lượng kết cấu sau khi tăng cường để xác định hệ số sức kháng của kết cấu.

2.2. Về phạm vi, khả năng tăng cường

Các nghiên cứu đều cho thấy sự tăng lên của mô – men chống uốn, sức kháng cắt của dầm chủ khi được tăng cường bằng FRP. Tuy nhiên, nghiên cứu cũng cho thấy không nên tăng cường trong những trường hợp:
- Cốt thép trong kết cấu bị gỉ;
- Dầm bị nứt với độ mở rộng lớn hơn 0.3mm.
Trường hợp thứ nhất, khi cốt thép bên trong kết cấu bị gỉ sẽ bị trương nở về thể tích làm xuất hiện nứt vỡ bê tông ở bên trong tấm dán, làm mất dính bám của tấm sợi carbon với bề mặt bê tông.
Ở trường hợp thứ hai, sự co dãn của vết nứt lớn dưới tác dụng của hoạt tải có thể làm đứt cục bộ cốt sợi.
Sổ tay ACI 440 – 08 khuyến cáo chỉ sử dụng công nghệ này để tăng cường cho những kết cấu mà khả năng chịu lực trước khi tăng cường đã đáp ứng được 1.1 lần hiệu ứng do tĩnh tải và 75% hiệu ứng gây ra do hoạt tải mới.
(1)
Như vậy, với một số các cầu yếu hiện đang cấm ,biển tải trọng từ 13 tấn đến 18 tấn, việc tăng cường kết cấu nhịp lên chịu hoạt tải 30 tấn hoặc tương đương bằng FRP cần phải xem xét thận trọng.

2.3. Về định lượng mức độ tăng cường kết cấu của tấm FRP

Thiết kế tăng cường kết cầu bê tông cốt thép (BTCT) bằng tấm FRP hiện nay thường sử dụng các công thức của sổ tay ACI 440 – Hoa Kỳ và sổ tay ISIS – Canada. Các công thức này là sự mở rộng của các công thức xác định sức kháng cắt và kháng uốn của dầm bê tông cốt thép, có bổ sung thêm sự phá hoại liên quan tấm FRP như: Phá hoại do mất dính bám giữa tấm FRP tăng cường với bê tông dầm hoặc phá hoại do đứt tấm FRP tăng cường.
Sổ tay ACI 440 cũng tiến hành chiết giảm hệ số sức kháng của kết cấu để tăng cao chỉ số độ tin cậy của thiết kế từ mức bằng 3 của tiêu chuẩn ACI thành 3.5 nhằm xét đến mức độ thiếu tin cậy của vật liệu FRP so với các dạng vật liệu truyền thống như bê tông, thép hoặc cốt thép dự ứng lực ngoài.
Sổ tay ISIS Canada cũng xây dựng các công thực dựa trên các kich bản phá hoại giống với ACI 440 ngoại trừ việc không xét đến kịch bản phá hoại do trượt tấm dán tuy nhiên sổ tay này sử dụng các hệ số sức kháng khác với quy định của ACI 440. Điều này dẫn đến việc khi áp dụng cho cùng một dạng kết cầu và cùng một giải pháp tăng cường, giá trị sức kháng sau tăng cường của kết cấu tính theo các hai sổ tay là khác nhau.
Theo đó, Bảng 2.1 so sánh kết quả tính theo sổ tay ACI 440 – 08 và sổ tay ISIS – Canada cho dầm BTCT thường có chiều dài 4m, mặt cắt ngang hình chữ nhật bxh=200mmx350mm, cốt thép dọc bên trong gồm 3 thanh đường kính 12mm, được tăng cường bằng cách dán một lớp CFRP diện tích 100mm2 ở đáy.
Bảng 2.1. Kết quả tính toán sức kháng uốn sau khi tăng cường của dầm BTCT theo 2 sổ tay khi cường độ bê tông của dầm thay đổi (đơn vị kNm) [Bhunga, et al., 2012]

Kết quả ở Bảng 2.1 cho thấy 2 sổ tay cho kết quả sức kháng uốn hoàn toàn khác nhau (chênh lệch từ 29% đến 35%) cho cùng một dạng kết cấu tăng cường.
Các công thức đưa ra tại chỉ dẫn ACI 440 – 08 và ISIS Canada là tường minh và dễ sử dụng. Tuy nhiên, các công thức này được xây dựng trên cơ sở chấp nhận giả thiết mặt cắt phẳng. Theo đó, kể cả tại trạng thái giới hạn phá hủy, mặt cắt dầm vẫn phẳng và do đó có thể xác định được biến dạng tại vị trí bất kì trên mặt cắt khi biết biến dạng tại một điểm và vị trí trục trung hòa xem (Hình 2.2).

Hình 2.2: Ứng suất – biến dạng của dầm BTCT dán tấm FRP ở TTGH phá hoại [ACI–440, 2008]

Trạng thái ứng suất – biến dạng như ở Hình 2.2 trong thực tế không thể xảy ra do mặt cắt ngang của dầm chủ đã không còn biến dạng phẳng ngay sau khi bê tông bị nứt. Giả thiết mặt cắt phẳng này trong chừng mực nào đó có thể sử dụng để xác định gần đúng sức kháng uốn của dầm BTCT thường hoặc BTCT dự ứng lực, khi trên mặt cắt tồn tại 2 loại vật liệu. Tuy nhiên, khi mức độ thiếu đồng nhất về mặt vật liệu của mặt cắt tăng lên do sự tham gia làm việc của 3 loại vật liệu có đặc trưng cơ lý khác nhau (bê tông, cốt thép, lớp sợi) thì giả thiết mặt cắt phẳng càng trở nên thiếu chính xác và công thức sức kháng uốn xác định từ giả thiết này cũng có độ chính xác không lớn.
Đề giải quyết vấn đề này, trên thế giới hiện xuất hiện 2 hướng nghiên cứu. Hướng nghiên cứu thứ nhất hướng đến việc cải tiến mô hình tính toán lý thuyết và xác định các hệ số điều chỉnh để hiệu chỉnh kết quả tính toán lý thuyết nhằm đạt được kết quả phù hợp với thí nghiệm (xem  [Rosenboom, et al., 2007]). Hướng nghiên cứu thứ hai hiện đang được quan tâm nhiều hơn là xây dựng các mô hình vật liệu phù hợp sự làm việc của vật liệu FRP và lớp dính bám. Sau đó, sử dụng các mô hình vật liệu này để xác định sự làm việc của kết cấu được tăng cường tấm FRP thông qua phương pháp phần tử hữu hạn. Theo hướng nghiên cứu này, một số mô hình phần tử hai chiều để mô hình hóa lớp dính bám và tấm sợi carbon đã được đề xuất và đưa vào các phần mềm phân tích phần tử hữu hạn như ABAQUS, DYNA, FEAP (xem [H. Ullaha, 2012],  [Sarturi, et al., 2014],  [Supaviriyakit, et al., 2004]). Việc phân tích dầm bằng phần tử hữu hạn hai chiều hoặc ba chiều cho phép mô tả được chính xác hơn sự làm việc đồng thời của tấm dán và bê tông dầm. Tuy nhiên, mức độ chính xác của các các mô hình vật liệu này còn cần kiểm chứng trước khi được sử dụng trong thiết kế, đặc biệt là mô hình vật liệu cho phân tử dính bám.
Hiện tại ở Việt Nam, các thiết kế thường áp dụng trực tiếp các công thức của hướng dẫn ACI – 440. Tuy nhiên, cho dù chấp nhận những khuyết điểm nội tại trong nguyên lý xây dựng nên công thức này như đã phân tích ở trên thì việc áp dụng trực tiếp các công thức này vào các thiết kế ở Việt Nam là chưa thỏa đáng do chưa có các nghiên cứu về các kịch bản phá hoại có thể xảy ra với các hệ thống FRP tại Việt Nam. Thêm vào đó, cũng chưa có nghiên cứu đề xuất chỉ số độ tin cậy của việc thiết kế tăng cường bằng tấm FRP cho phù hợp với mức độ thiếu tin cậy về mặt thi công, về mặt vật liệu và tính thiếu chính xác của công thức. Đây là một nội dung cần triển khai sớm vì chỉ sau khi có chỉ số độ tin cậy mong muốn, người thiết kế mới có thể đưa ra được các hệ số sức kháng và hệ số tải trọng cho bài toán thiết kế theo lý thuyết độ tin cậy riêng phần, và kết quả sức kháng sau tăng cường mới có cơ sở khoa học.
2.4. Độ bền của vật liệu polymer cốt sợi dưới tác động của môi trường
Là một giải pháp tăng cường mới được đưa vào ứng dụng trong tăng cường kết cầu chịu lực trong khoảng 30 năm nay trên thế giới và khoảng 10 năm nay ở Việt Nam, công nghệ sử dụng tấm dán FRP trong tăng cường cầu cần có những nghiên cứu bổ sung về sự thay đổi khả năng làm việc của vật liệu theo thời gian.
Nội dung quan trọng nhất là cần nghiên cứu đánh giá mức độ suy giảm khả năng chịu lực (nếu có) của kết cấu tăng cường bằng tấm dán FRP dưới tác động của tác nhân môi trường, cụ thể là dưới tác động của độ ẩm, tia tử ngoại và các tác nhân ăn mòn. Về vấn đề này, kết quả từ các nghiên cứu trên thế giới chưa đạt được sự thống nhất. Nghiên cứu của Misubishi Plastic với vật liệu Replark cho kết luận hầu như không có sự thay đổi về cường độ chịu kéo và khả năng dính bám của vật liệu Replark sau ba năm chịu tác động của môi trường xem (Hình 2.3, Hình 2.4).

Hình 2.3: Thay đổi về cường độ chịu kéo của tấm dán FRP sau 3 năm [Misubishi Plastic]

Hình 2.4: Thay ñoåi veà cöôøng ñoä dính baùm cuûa taám daùn FRP sau 3 naêm [Misubishi Plastic]

Một nghiên cứu cũng cho kết quả gần tương tự là nghiên cứu của nhóm Nishizaki, Labosssiere và Sarsaniuc thuộc Viện Nghiên cứu Công trình công cộng (Nhật Bản) và Khoa Công trình, Đại học Sherbrooke (Canada). Theo đó, nhóm nghiên cứu đã tiến hành chế tạo các mẫu tấm FRP và để trong điều kiện môi trường tại ba điểm là Okinawa, Tsukuba (Nhật Bản) và Sherbrooke (Canada). Kết quả thỉ nghiệm cho thấy cường độ chịu kéo của các mẫu tấm FRP sau năm năm suy giảm không đáng kể. Tuy nhiên, khả năng chịu cắt trong mặt phẳng tấm bị suy giảm nhẹ. Đặc biệt, khả năng chịu uốn của mẫu  bị suy giảm đáng kể theo thời gian. Với tổ mẫu thứ nhất trong thí nghiệm của nhóm Nishizawa, cường độ chịu uốn giảm còn 72% so với ban đầu trong khi đó với tổ mẫu thứ hai, cường độ chịu uốn của mẫu bị giảm chỉ còn 55% xem (Hình 2.5). Kết quả thí nghiệm cho thấy cường độ của bản thân cốt sợi không bị suy giảm theo thời gian, tuy nhiên có thể đã có sự suy giảm về mức độ dính bám giữa lớp keo epoxy và phần cốt sợi.

Hình 2.5: Mức độ suy giảm khả năng chịu uốn của mẫu tấm FRP theo thời gian [Nishizaki, et al., 2004]

Nhóm nghiên cứu của Collins thuộc Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia Canada tiến hành thí nghiệm xác định sự thay đổi về tính chất cơ lý của tấm dán FRP dưới tác dụng của các tác động môi trường như hiện trượng đóng và tan băng, tia cực tím, thay đổi nhiệt độ, dung dịch NaOH với độ pH lần lượt bằng 10 và 12 và hơi ẩm. Kết quả nghiên cứu cho thấy: Khả năng chịu kéo và khả năng dính bảm của tấm FRP không bị ảnh hưởng đáng kể từ sự thay đổi nhiệt độ, ảnh hưởng tia cực tím, chu kỳ đóng/ rã băng, tuy nhiên bị giảm đáng kể dưới tác động của môi trường kiểm, độ ẩm (cường độ chịu kéo giảm khoảng 7% sau 84 ngày chịu tác động của môi trường kiềm và độ ẩm) (xem  [Homam, et al., 2002]).
Các nghiên cứu trên gợi ý rằng, các tác động của môi trường không gây ảnh hưởng đáng kể đến tính chất cơ lý của bản thân cốt sợi. Tuy nhiên, các tác động này có ảnh hưởng đến tính chất của keo epoxy nền, thể hiện qua sự suy giảm khả năng dính bám giữa keo và sợi. Các yếu tốâ gây ảnh hưởng nhất đến sự suy giảm này là tính kiềm của môi trường và độ ẩm của môi trường. Các nghiên cứu về độ bền của tấm sợi FRP vẫn đang tiếp tục do các kết quả nghiên cứu chưa đủ mức độ chi tiết và thống nhất. Tuy nhiên, các kết quả bước đầu cũng đã chỉ ra rằng cần có những nghiên cứu cụ thể hơn về sự suy giảm cường độ và độ dính bám của tấm dán sợi FRP dưới tác động của hơi ẩm. Kết quả nghiên cứu của vấn đề này là một tham chiếu quan trọng để xác định độ bền lâu của tấm FRP theo thời gian, từ đó mới có thể phân tích, so sánh được chính xác tính kinh tế – kĩ thuật của công nghệ dán tấm FRP  với các công nghệ truyền thống khác.
3. Kết luận và kiến nghị
Bài báo đã nêu ra một vài nội dung chính còn cần được tiếp tục nghiên cứu để ứng dụng vật liệu FRP trong tăng cường kết cấu nhịp cầu nói riêng và các kết cấu BTCT nói chung. Giải pháp tăng cường, sửa chữa bằng vật liệu FRP có những ưu điểm rõ ràng so với những giải pháp truyền thống. Tuy nhiên, trong quá trình áp dụng, công nghệ này vẫn cần được tiếp tục nghiên cứu để bổ sung hoàn thiện. Trước mắt cần xây dựng hoàn thiện các hệ thống tiêu chuẩn thí nghiệm, sổ tay thiết kế, quy trình thi công của vật liệu FRP và định rõ phạm vi áp dụng. Bên cạnh đó, cần tiếp tục có những nghiên cứu về độ bền của dạng vật liệu này dưới điều kiện khí hậu của Việt Nam.

Tài liệu tham khảo
[1]. ACI-440, (2008), Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures, American Concrete Insitute.
[2]. ASTM-D3039, (2008), Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials.
ASTM-D638, (2010), Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics.
[3]. ASTM-D790, (2010), Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulation Materials.
[4]. Bhunga, & Aora, (2012), Comparative study of ER-FRP laminated beam design using ACI 440 2R-08 and ISIS Canada method, International Journal of Advanced Engineering Research and Studies , I (3), 200-203.
[5]. Dawood, M., & Rizkalla, S (2010), Environmental durability of a CFRP system for strengthening steel structures, Construction and Building Materials , 1682-1689.
[6]. FIB. (2001), Externally bonded FRP reinforcement for RC structures.
[7]. H. Ullaha, A. H, (2012), Finite-element modelling of bending of CFRP laminates: Multiple delaminations, Computational Materials Science , 52 (1), 147-156.
[8]. Homam, S. M., & Sheikh, S. A, (2002). Durability of Fibre Reinforced Polymers Used in Concrete Structures, National Research Council of Canada.
[9]. ISO-178, Plastics – Determination of flexural properties.
[10]. Nishizaki, I., Labossieøre, P., & Sarsaniuc, B. (2004), Durability of CFRP Sheet Reinforcement through Exposure Tests, SP-230-80.
[11]. Rosenboom, & Rizkalla, (2007), Analytical modeling of flexual debonding in CFRP strengthened reinforced or prestressed concrete beams, FRPRCS-8.
[12]. Sarturi, F., & Machado, R. D (2014), Modelling of concrete beams retrofitted with CFRP using FEM, Fourteen Pan-American Congress of Applied Mechanics (PACAM XIV), Santiago.
[13]. Supaviriyakit, T., Pornpongsaroj, P., & Pimanmas, A (2004), Finite element analysis of FRP-strengthened RC beams, Journal of Science Technology , 497-507.
[14]. Thaûo, P. V (2012), Ñaùnh giaù hieän traïng hö hoûng vaø öùng duïng taám CFRP söûa chöõa taêng cöôøng caàu cuõ treân QL70, Ñaïi hoïc GTVT.