Sợi carbon có hiệu quả trong gia cường cột bê tông cốt thép?

Thí nghiệm nén dọc trục so sánh tại phòng thí nghiệm Horse Construction: trụ bê tông trơn so với một và hai lớp bọc CFRP theo chu vi — tải trọng đỉnh, dạng phá hoại và nguyên lý kiềm chế đằng sau các con số, có tham chiếu thực hành thiết kế ACI 440.2R.

Tổng quan thí nghiệm

Gia cường cột là một trong những ứng dụng phổ biến nhất — và cũng bị hiểu sai nhiều nhất — của CFRP trong cải tạo kết cấu. Vì vải sợi carbon chỉ khỏe theo hướng sợi và không chịu lực nào khi bị nén, các kỹ sư ngoài lĩnh vực FRP thường đặt một câu hỏi chính đáng: làm sao một tấm vải mỏng quấn quanh cột lại có thể khiến cột chịu tải lớn hơn?

Để trả lời bằng dữ liệu thay vì lý thuyết, phòng thí nghiệm Horse Construction đã thực hiện thí nghiệm nén dọc trục so sánh trên các mẫu bê tông đại diện cho cấu kiện chịu tải dọc trục. Ba nhóm được thử nghiệm:

Nhóm đối chứng — bê tông trơn (không gia cường);

Nhóm một lớp — bê tông được bọc một lớp CFRP theo chu vi;

Nhóm hai lớp — bê tông được bọc hai lớp CFRP theo chu vi.

Mục tiêu là làm cho hiệu ứng kiềm chế của lớp bọc CFRP theo chu vi hiện rõ trực tiếp: ảnh hưởng của nó đến khả năng chịu tải, biến dạng, đặc tính nứt và cường độ chịu nén cực hạn.

Bố trí thí nghiệm và chuẩn bị mẫu

Sử dụng mẫu bê tông hình trụ đường kính 150 mm và chiều cao 450 mm, cho tỷ lệ chiều cao trên đường kính là 3 — cấu hình cột ngắn giúp tách biệt đặc tính vật liệu và sự kiềm chế khỏi ảnh hưởng độ mảnh tổng thể.

Với các nhóm được gia cường, vải sợi carbon được cắt theo quy định với chiều dài chồng mí theo chu vi đủ lớn, phù hợp thực hành lắp đặt FRP tiêu chuẩn (tính liên tục của mối chồng mí chính là điều giúp lớp bọc làm việc như một vòng kín thay vì một dải hở). Keo epoxy tẩm (bão hòa) tương thích được chuẩn bị và phủ đều, với bọt khí được miết theo một hướng để tránh vùng thừa nhựa hoặc vùng khô. Khi thi công lớp thứ hai, lớp này chỉ được dán sau khi lớp thứ nhất đạt trạng thái khô không dính tay — đúng thời điểm giữa các lớp như yêu cầu tại công trường thực tế.

Sau khi đóng rắn hoàn toàn, tất cả mẫu được thử nén dọc trục với tốc độ gia tải không đổi, và toàn bộ phản ứng — từ nứt ban đầu và biến dạng đến phá hoại cuối cùng — được ghi lại cho từng nhóm.

Kết quả thí nghiệm nén

Bê tông trơn (đối chứng)

Một lớp CFRP

Hai lớp CFRP

*Cường độ = tải trọng đỉnh ÷ diện tích mặt cắt nguyên (π × 75² = 17.671 mm²).

Quá trình phá hoại khác nhau cũng như các con số. Mẫu bê tông trơn báo hiệu giới hạn của mình từ sớm: vết nứt dọc phát triển, bề mặt bong tróc, và trụ bị nghiền vỡ một cách giòn khi lõi không được kiềm chế không còn chịu được tải. Các mẫu được bọc lại hành xử khác ngay từ vết nứt đầu tiên — tiếng nứt phát triển bên trong bê tông, nhưng áo CFRP giữ mặt cắt lại với nhau, sự nở ngang bị hạn chế, và các mẫu tiếp tục chịu tải tăng cao vượt xa giới hạn của nhóm đối chứng. Các mẫu được bọc chỉ phá hoại khi chính vải carbon bị rách theo phương vòng — kiểu rách đột ngột và dữ dội đặc trưng của một áo kiềm chế cuối cùng đã bị kéo căng đến giới hạn.

Các con số cho thấy điều gì

Hai kết quả đáng được chú ý:

Kiềm chế có hiệu quả, và hiệu quả tăng theo số lớp. Một lớp CFRP nâng cường độ chịu nén thêm 24%; lớp thứ hai đẩy mức tăng lên 93%. Hiệu quả kiềm chế tăng theo độ cứng của áo — nhiều sợi theo chu vi hơn nghĩa là nhiều ràng buộc ngang hơn trên mỗi đơn vị nở của bê tông.

Vải không bao giờ chịu tải thẳng đứng — và vẫn làm được việc. Toàn bộ lực dọc trục do lõi bê tông chịu. CFRP chỉ đóng vai trò ràng buộc biến dạng ngang của bê tông, vậy mà tạo ra khả năng chịu tải gần gấp đôi khi bọc hai lớp. Đây là cơ chế cốt lõi của gia cường cột bằng FRP.

Nguyên lý nền tảng: Kiềm chế thụ động

Dưới nén dọc trục, bê tông không chỉ ngắn lại — nó nở ra theo phương ngang. Nếu không bị ràng buộc, sự nở này mở ra các vết nứt dọc, tách lớp bê tông bảo vệ và kích hoạt sự nghiền vỡ giòn ở cường độ một trục của bê tông.

Một áo FRP theo chu vi thay đổi cơ chế đó. Khi bê tông cố nở ra, nó làm biến dạng áo theo phương vòng; áo, với độ cứng và độ bền kéo rất cao, đẩy ngược lại bằng áp lực kiềm chế ngang. Lõi bê tông nhờ đó nằm trong trạng thái ứng suất nén ba trục — và bê tông được kiềm chế ba trục chịu được ứng suất dọc trục cao hơn nhiều và biến dạng dọc trục lớn hơn nhiều trước khi phá hoại.

Đây là cơ sở của các mô hình thiết kế được dùng trên toàn thế giới. ACI 440.2R, hướng dẫn chính cho hệ FRP dán ngoài, đánh giá cường độ chịu nén được kiềm chế của bê tông tròn bằng các mô hình kiểu Lam-and-Teng, trong đó cường độ được kiềm chế tăng theo áp lực kiềm chế do áo cung cấp; các bản tin fib cũng theo cùng lý thuyết bê tông được kiềm chế. Hai chi tiết thiết kế đáng lưu ý:

Áo là thụ động. Nó không làm gì cho đến khi bê tông nở ra. Đóng góp của nó được huy động bởi biến dạng — đó là lý do sự kiềm chế cải thiện độ dẻo mạnh hơn nhiều so với cường độ, và là lý do phần trình bày này cho thấy sự thay đổi hành vi, không chỉ một con số cao hơn.

Biến dạng rách quyết định. Áo chỉ làm việc đến khi rách theo phương vòng, vì vậy các hướng dẫn thiết kế giới hạn biến dạng vòng hiệu dụng dưới biến dạng kéo cực hạn của vật liệu, có tính đến trạng thái ứng suất đa trục trong sợi bị uốn, độ cong ở chu vi mặt cắt và dung sai thi công.

Điều này có ý nghĩa gì với cột thực tế

Chuyển từ phòng thí nghiệm ra kết cấu, bọc CFRP theo chu vi mang lại ba điều quan trọng với kỹ sư hành nghề:

Khả năng chịu tải dọc trục cho các cột đã tăng tải — thêm tầng, thay đổi công năng, thiết bị nặng hơn — mà không phải mở rộng mặt cắt hay thêm khối lượng đáng kể;

Độ dẻo, đặc tính quyết định liệu một cột quá tải sẽ suy giảm từ từ hay phá hoại giòn, đột ngột. Ở vùng động đất, đây thường là lý do chính khiến cột được bọc;

Khả năng chống cắt, vì cùng lớp áo theo chu vi kiềm chế lõi cũng hạn chế các vết nứt cắt chéo vốn quyết định phá hoại cắt của cột.

Một làm rõ cho người lập chỉ dẫn kỹ thuật: bọc theo chu vi là biện pháp kiềm chế và chống cắt. Gia cường chịu uốn cho cột — nếu đó là yêu cầu — cần sợi dọc, một chi tiết khác với mục đích khác.

Giới hạn của phần trình bày

So sánh trong phòng thí nghiệm là trình bày cơ chế, không thay thế cho thiết kế. Các giới hạn trung thực của thí nghiệm này:

Mẫu 150 × 450 mm là cột ngắn; cột thực tế còn phải kiểm tra độ mảnh và hiệu ứng bậc hai, những điều mà kiềm chế không giải quyết.

Hiệu quả kiềm chế cao nhất trên mặt cắt tròn. Cột chữ nhật chỉ được kiềm chế hiệu quả sau khi bo góc, và nhu cầu áo của chúng được tính khác theo ACI 440.2R.

Thí nghiệm dùng gia tải đơn điệu. Lợi ích độ dẻo khiến áo FRP có giá trị đến vậy trong cải tạo kháng chấn được kiểm chứng tốt nhất dưới gia tải chu kỳ đảo chiều.

Khả năng chịu tải thiết kế trong dự án thực tế phải đến từ tính toán riêng cho dự án với các đặc tính đã được chứng nhận của vật liệu thực — các tỷ lệ phần trăm trên mô tả những mẫu này, không phải một hệ số nhân được bảo đảm cho bất kỳ cột nào.

Kết luận

Vậy — sợi carbon có hiệu quả trong gia cường cột bê tông cốt thép? Thí nghiệm nén đưa ra câu trả lời cụ thể: khi bọc theo chu vi, một lớp CFRP nâng cường độ chịu nén của mẫu thử thêm 24%, hai lớp thêm 93%, đồng thời chuyển dạng phá hoại từ nghiền vỡ giòn sang phản ứng dẻo được kiềm chế. Bản thân vải không chịu tải dọc trục; việc của nó là giữ bê tông lại với nhau — và như thí nghiệm cho thấy, nó làm việc đó rất tốt.

https://www.youtube.com/shorts/wqpDzn-foTU

Bạn có dự án tương tự? Hãy trao đổi với chúng tôi.

Horse Construction là nhà sản xuất vật liệu gia cường kết cấu có trụ sở tại Thượng Hải, với hai dòng sản phẩm đầy đủ được tin dùng trong các dự án tại hơn 100 quốc gia — và một phòng thí nghiệm nội bộ nơi các hệ thống như trên được thử nghiệm trước khi đến công trường của bạn:

Hệ sợi carbon — vải CFRP, tấm CFRP, hệ tấm CFRP ứng suất trước, thép thanh và cáp dự ứng lực carbon, cùng keo epoxy tẩm thấm tương thích;

Keo dán kết cấu — keo dán thép, keo cấy thép, keo bơm và đổ vá vết nứt, và keo nối phân đoạn.

Nếu dự án của bạn liên quan đến gia cường cột, cải tạo kháng chấn hoặc công việc tương tự, hãy liên hệ với chúng tôi — chúng tôi sẽ làm mọi điều có thể để hỗ trợ bạn, từ chọn vật liệu và dữ liệu thử nghiệm đến giao hàng đúng hạn.