Tăng cường sợi carbon

1. Tổng quan dự án

Dự án Khu đô thị thương mại Trang Hà Tân Thiên Địa có ba tầng nổi, diện tích xây dựng 49.606 mét vuông, kết cấu khung bê tông cốt thép. Thiết kế khởi công tháng 10 năm 2006, thi công tháng 3 năm 2007. Hoàn thành hạng mục kết cấu chính vào tháng 8 năm 2007. Tháng 10 năm 2007, trong quá trình xúc tiến đầu tư, chủ đầu tư đã thay đổi công năng sử dụng. Tải trọng sử dụng khoảng 5.000 mét vuông ở tầng ba đã tăng từ 5KN/m2 theo thiết kế ban đầu lên 7KN/m2.

Sau khi kiểm tra và tính toán bởi đơn vị thiết kế ban đầu, móng và cột có đủ sức chịu tải, dầm và bản không đủ khả năng chịu uốn và cắt nên cần gia cố.

Sau khi thảo luận và nghiên cứu bởi tất cả các bên liên quan đến dự án, người ta đã quyết định sử dụng công nghệ gia cố sợi carbon để gia cố các dầm và tấm sàn của tầng hai ban đầu trên một diện tích lớn.

2. Hiệu suất vật liệu

Sợi carbon có độ bền cao nhất trong số các vật liệu kỹ thuật đã biết trên thế giới, và đặc biệt nổi bật là có độ bền kéo và mô đun đàn hồi cực cao. Trọng lượng riêng của vải sợi carbon làm từ vật liệu composite chỉ bằng một phần năm thép. Đây là vật liệu rất nhẹ và đồng thời là vật liệu mới có tính chất cơ học tuyệt vời. Sợi carbon được sử dụng trong kỹ thuật được làm từ polyacrylonitrile (PAN) có độ tinh khiết cao làm nguyên liệu thô, được chế biến thành các sợi rất mịn thông qua các quy trình đặc biệt như cacbon hóa nhiệt độ cao, giúp tăng đáng kể diện tích bề mặt của một lượng sợi nhất định và có lợi hơn cho việc tăng cường liên kết với keo. Trong quá trình thi công, keo nhựa thấm hoàn toàn vào giữa các sợi, bao bọc hoàn toàn từng sợi, tạo thành vật liệu composite có tính chất vật lý tuyệt vời. Các thử nghiệm đã chứng minh rằng độ bền kéo của sợi carbon có thể đạt tới hơn 4500N/mm, và sau khi tạo thành vật liệu composite, nó đạt hơn 3500N/mm, gấp khoảng 9 lần và 7 lần so với thép kết cấu hợp kim thông thường. Mô đun đàn hồi của vật liệu composite sợi carbon cao hơn một chút so với thép thông thường, đồng thời có khả năng chống ăn mòn tuyệt vời. Vật liệu này đặc biệt thích hợp cho các dự án gia cố kết cấu ở vùng ven biển có hàm lượng ion clorua trong không khí cao.

3. Nguyên tắc

3.1 Nguyên tắc chung của thiết kế sợi carbon

(1) Trong quá trình thiết kế, vải sợi carbon được chuyển đổi thành lượng thanh thép theo cường độ và tiết diện tổng hợp được tính toán theo phương pháp tương tự như tính toán uốn của cấu kiện bê tông cốt thép để cùng chịu tải trọng động do ngoại lực thiết kế gây ra và tải trọng tĩnh tăng lên;

(2) Lý thuyết tính toán áp dụng phương pháp trạng thái giới hạn để tính trạng thái giới hạn sức chịu tải và trạng thái giới hạn khả năng sử dụng:

(3) Sợi carbon được bố trí dọc theo hướng cốt thép chính tại nơi cường độ của cấu kiện bê tông cốt thép không đủ;

(4) Có thể sử dụng loại kín, hình chữ U hoặc dạng dán cạnh để gia cố chịu cắt; hướng sợi phải vuông góc với hướng trục.

3.2 Giả định cơ bản để tính toán khả năng chịu lực cực hạn của các cấu kiện chịu uốn

(1) Tác động của bê tông trong vùng chịu kéo bị bỏ qua;

(2)Sau khi dầm được uốn cong, ứng suất của bê tông, thép và sợi carbon sẽ tuân theo giả định về mặt cắt phẳng;

3.3 Yêu cầu xây dựng chung

(1)Sợi carbon nên được dán vào mép dưới của vùng chịu lực của dầm. Nếu cần dán vào cạnh dầm, nên giới hạn ở 1/4 chiều cao dầm. Diện tích sợi carbon ở cạnh phải được nhân với hệ số;

(2) Số lượng lớp liên kết sợi carbon không được vượt quá năm lớp; đối với sợi carbon nhiều lớp, cần cân nhắc việc giảm hệ số cộng tác. Quá nhiều lớp sợi carbon sẽ dẫn đến kết cấu bê tông bị phá hoại giòn;

(3) Hiệu quả của liên kết dải và gia cố sợi carbon tốt hơn so với liên kết toàn bộ chiều rộng;

(4)Keo dán sợi carbon phải được neo chắc chắn, chiều dài neo phải được xác định bằng tính toán và có thể bổ sung thêm các cơ sở neo khi cần thiết;

(5) Phần vải sợi được nối (kéo dài) sử dụng kết cấu chồng chéo. Chiều dài của phần chồng chéo là chiều dài chồng chéo của vải sợi carbon theo hướng sợi không được nhỏ hơn 150mm. Các đầu của vải sợi carbon phải được cố định bằng sợi carbon ngang hoặc thép dán.

4. So sánh kỹ thuật và kinh tế

So với các vật liệu gia cố khác, vật liệu sợi carbon có những ưu điểm sau:

4.1. Cường độ cao và hiệu suất cao. Độ bền kéo của vật liệu composite sợi carbon vượt quá 3500mMpa, gấp khoảng 10 lần thép, và mô đun đàn hồi kéo vượt quá 2,35×105Mpa, tương đương với thanh thép, thích hợp cho việc gia cố và sửa chữa kết cấu bê tông. Ức chế sự phát triển của vết nứt, cải thiện và tối ưu hóa cường độ và độ dẻo dai của bê tông, kéo dài tuổi thọ sử dụng.

4.2. Chống ăn mòn. Vật liệu sợi carbon có tính ổn định hóa học và không phản ứng hóa học với axit và kiềm. Do đó, cấu kiện bê tông cốt thép làm từ vật liệu sợi carbon có khả năng chống ăn mòn và độ bền tốt.

4.3. Không làm tăng trọng lượng và thể tích của các bộ phận, trọng lượng riêng của sợi carbon chỉ bằng 1/4 trọng lượng riêng của thép. Độ dày của sợi carbon nhỏ hơn 0,5mm, do đó có thể phát huy hiệu quả gia cường mạnh mẽ mà không làm tăng trọng lượng và kích thước mặt cắt ngang của kết cấu ban đầu.

4.4. Khả năng chịu mỏi tốt. Độ bền mỏi của vật liệu composite sợi carbon cao hơn so với dây cường độ cao. Dưới tác động của ứng suất biến thiên giao tiếp, giới hạn mỏi của vật liệu kim loại chỉ bằng 30%-40% độ bền chịu tải tĩnh. Do sợi và composite cơ bản có thể làm chậm sự phát triển vết nứt và khả năng phân phối lại nội lực của sợi, nên giới hạn mỏi của vật liệu composite tương đối cao, khoảng 70%-80% độ bền chịu tải tĩnh, và có dấu hiệu biến dạng đáng kể trước khi hỏng.

4.5. Ứng dụng rộng rãi. Sản phẩm có thể được sử dụng rộng rãi trong gia cố kết cấu và gia cố địa chấn cho dầm, cột, sàn, tường và các cấu kiện khác của các công trình công nghiệp và dân dụng, đường sắt, cầu đường bộ, đường hầm, đường trên cao, ống khói và các công trình khác. Sản phẩm cũng có thể được sử dụng để gia cố các kết cấu phức tạp như bề mặt cong và các nút.

4.6. Dễ thi công. Trong dự án gia cố vải sợi carbon, quá trình thi công không yêu cầu máy móc thi công lớn, diện tích thi công nhỏ, không có công việc ướt, hiệu quả công việc cao.

Các dầm và tấm sàn tầng hai của Khu thương mại Zhuanghe Xintiandi đã được gia cố bằng sợi carbon để đáp ứng yêu cầu của chủ đầu tư. Nhờ tính kinh tế và kỹ thuật cao, chúng sẽ được ứng dụng rộng rãi trong các dự án thực tế.