Gia cường cấu kiện dầm Geopolymer bằng CFRP
GIA CƯỜNG CẤU KIỆN DẦM GEOPOLYMER BẰNG CFRP
STRENGTHENING GEOPOLYMER BEAM WITH CFRP
KS.Nguyễn Minh Tuân1, PGS.TS Phan Đức Hùng2
1Học viên cao học, Trường ĐH sư phạm kỹ thuật TP.HCM
2 Trường ĐH sư phạm kỹ thuật TP.HCM
TÓM TẮT
Hiện nay, các công trình xây dựng đang phát triển ngày càng nhiều, kèm theo đó là vấn
đề ô nhiễm môi trường do sản xuất xi măng đang là vấn đề cấp thiết cần được giảm thiểu. Mặt
khác, các công trình xây dựng hiện hữu có nhiều sự cố xảy ra như nứt, cong vênh dầm, sàn, cột
hoặc do nhu cầu thay đổi công năng của công trình nên ta thực hiện các biện pháp gia cường trên
cấu kiện cần thiết. Bài báo này nghiên cứu về khả năng chịu lực của dầm Geopolymer gia cường
tấm CFRP và đồng thời xem xét đến khả năng làm việc chung của tấm gia cường CFRP và dầm
Geopolymer.
Từ khóa: tấm CFRP; dầm Geopolymer; khả năng chịu lực; gia cường; ô nhiễm môi trường.
ABSTRACT
Portland cement is known as the main material of concrete which is the most important
material for building construction. Nowadays, the development of infrastructure led to the
requirement of the tremandous amount of Portland cement for concrete production. However the
cement manufacture is also one of the main causes for enviroment pollution. Moreover, some
phenomena such as cracking, warping, girder, floor, column occurred in the existing buildings
and the need to change the function of the building requires of strengthen on the building
structure. This paper on the strength of Geopolymer beam reinforcement CFRP sheet, on the
other hand, the joint capabilities between CFRP reinforcement and Geopolymer beam was also
studied.
Keywords: CFRP sheet; Geopolymer beam; reinforcement; enviroment pollution.
Khái niệm “Geopolymer” được đưa ra vào
những năm 1970 bởi nhà khoa học Pháp giáo
sư Joseph Davidovits [1]. Đây là một loại vật
liệu rắn tổng hợp được nhờ phản ứng hóa học
giữa aluminosilicate dạng bột với dung dịch
Alkali. Vật liệu aluminosilicate được sử dụng
là những nguyên liệu có chứa các oxit của
silic, nhôm,…Từ phế phẩm công nghiệp
nhiệt điện là tro bay, cát đá, dung dịch Alkali
và quá trình polymer hóa của dung dịch
kiềm và thủy tinh lỏng tạo thành bê tông
Geopolymer.
1. Đặt vấn đề
Hiện nay các sự cố thường xuyên xảy ra
trong các công trình xây dựng như dầm bị
cong vênh, nứt, khả năng chịu lực của dầm
không đủ hoặc do việc thay đổi công năng
của công trình. Vì vậy cần có các biện pháp
hữu hiệu để giả quyết các vấn đề trên. Gia
cường là một biện pháp khả thi để giải quyết
các vấn đề trên.
2. Cơ sở lý thuyết
2.1 Bê tông Geopolymer
2.2 Vật liệu gia cường CFRP
Bảng 1. Các đặc trưng cơ học của vật liệu CFRP sử dụng trong nghiên cứu.
Các đặc trưng cơ bản của vật liệu CFRP
Cường độ chịu kéo cực hạn theo phương của sợi
Độ dãn dài cực hạn
Thông số
986 (MPa)
1,0%
Mô đun đàn hồi
85,8 (GPa)
cường tấm CFRP lên mẫu dầm đã được đúc.
Việc gia cường tiến hành bằng cách pha dung
dịch keo Epoxy với tỉ lệ thích hợp, chia tấm
CFRP thành các kích thước phù hợp với vị trí
cần gia cường. Tiến hành quét keo Epoxy lên
bề mặt gia cường và tấm CFRP sau đó dán
tấm CFRP vào vị trí cần gia cường.
3. Chương trình thí nghiệm
Đúc mẫu dầm có
kích
thước
200x300x3300mm sau đó tiến hành dưỡng
hộ nhiệt cho dầm ở nhiệt độ 90oC trong 12
giờ. Tiếp tục dưỡng hộ dầm trong diều kiện
thường trong vòng 7 ngày mới thực hiện gia
4. Kết quả nghiên cứu dầm Geopolymer không gia cường
Bảng 2. Kết quả thí nghiệm dầm Geopolymer cấp phối 1 và 2 không gia cường.[2]
Cấp phối 1 dán 2 lớp CFRP
Cấp phối 2 dán 2 lớp CFRP
P
(kN)
0
CV - L/4
(mm)
CV - L/2
(mm)
0
BD - L/2
CV - L/4
(mm)
CV - L/2
(mm)
0
BD - L/2
(µε)
0
(µε)
0
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1.835
2.745
3.685
4.69
2.03
3.2
76.31
1.89
2.94
3.87
4.825
5.815
6.78
7.76
8.765
12.3
16.505
2.035
3.325
4.685
6.135
7.61
92.73
109.16
366.11
1048.11
1637.37
2137.76
2606.27
3359.75
663.64
1483.77
1887.56
2125.2
2491.31
2837.14
3688.19
4.51
5.95
5.775
6.825
7.83
7.505
9.02
9.06
10.505
12.045
16.195
30.24
10.52
12.04
18.885
27.475
8.79
11.05
18.26
5. Dầm Geopolymer gia cường 1 lớp CFRP
Bảng 3. Kết quả thí nghiệm dầm Geopolymer gia cường 1 lớp CFRP
Cấp phối 1 dán 1 lớp CFRP
Cấp phối 2 dán 1 lớp CFRP
CV - L/4 CV - L/2 BD - L/2 CV - L/4 CV - L/2 BD - L/2
P (kN)
(mm)
0
(mm)
0
(µε)
0
(mm)
0
(mm)
0
(µε)
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
1.93
2.73
4.08
5.07
5.87
6.69
7.86
8.95
10.05
2.26
3.81
6.56
8.33
9.49
10.82
11.98
13.8
14.98
149.16
346.56
599.42
880.06
1189.69
1462.6
1572.22
1663.49
1804.99
1.64
2.56
3.94
4.58
5.41
6.23
7.16
7.81
8.73
1.95
3.09
5.49
6.99
8.12
9.38
10.27
12.18
13.07
129.95
245.69
477.51
813.49
1096.56
1308.62
1439.99
1567.51
1723.03
100
110
11.29
12.21
15.53
17.67
17.72
20.71
22.21
25.83
1920.26
2155.85
2472.62
3102.99
9.89
11.57
14.12
16.84
18.14
13.46
17.17
21.34
25.19
29.74
1797.38
1983.24
2210.63
2790.77
3262.64
120
125.07
127.55
5.1. Chuyển vị của dầm tại vị trí L/2
5.2. Biến dạng của dầm tại vị trí L/2
150
140
120
100
80
100
L/2 (CP2)
60
L/2 (CP1)
40
50
BD2 (CP2)
20
0
BD1 (CP1)
0
0
2000
4000
0
20
40
Biến dạng (µε)
Chuyển vị (mm)
Hình 2. Biểu đồ quan hệ giữa lực và biến
dạng tại vị trí L/2 của dầm Geopolymer gia
cường 1 lớp CFRP.
Hình 1. Biểu đồ quan hệ giữa lực và biến
dạng tại vị trí L/2 của dầm Geopolymer gia
cường 1 lớp CFRP.
Tương tự biến dạng tại vị trí L/2 của
dầm gia cường 1 lớp CFRP dầm đúc ở cấp
phối 2 nhỏ hơn dầm được đúc bởi cấp phối 1
khoảng 11%. Khi tải trọng lớn thì dầm đúc
bởi cấp phối 1 có xu hướng xảy ra biến dạng
tại vị trí L/2 lớn hơn so với dầm được đúc
bởi cấp phối 2.
Kết quả thu được từ thực nghiệm cho
thấy chuyển vị tại vị trí L/2 của dầm gia
cường 1 lớp CFRP dầm đúc ở cấp phối 2 nhỏ
hơn dầm được đúc bởi cấp phối 1 khoảng
13.7%. Khi tải trọng lớn thì dầm đúc bởi cấp
phối 1 có xu hướng chuyển vị lớn hơn so với
dầm được đúc bởi cấp phối 2.
6. Dầm Geopolymer gia cường 2 lớp CFRP
Bảng 4. Kết quả thí nghiệm dầm Geopolymer gia cường 2 lớp CFRP.
Cấp phối 1 dán 2 lớp CFRP
Cấp phối 2 dán 2 lớp CFRP
CV - L/4 CV - L/2 BD - L/2 CV - L/4 CV - L/2 BD - L/2
P (kN)
(mm)
0
(mm)
0
(µε)
0
(mm)
0
(mm)
0
(µε)
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
1.91
2.69
3.6
4.55
5.47
6.36
7.33
8.25
3.55
4.98
6.36
7.76
9.08
10.41
11.93
13.41
150.7
1.58
2.5
2.29
3.69
5.14
6.51
7.71
8.92
10.21
11.41
129.95
242.5
350.66
596.02
856.84
1096.41
1324.39
1463.49
1565.89
3.46
4.42
5.26
6.09
6.95
7.77
460.86
774.38
987.91
1203.36
1325.58
1456.49
90
100
9.13
10.14
11.22
12.55
14.25
16.5
14.74
17.24
19.12
21.59
24.96
26.56
1753.29
1787.1
8.66
9.46
12.76
13.81
15.34
17.68
20.92
24.51
27.08
1604.79
1626.93
1862.64
2041.31
2687.6
110
120
130
1986.1
10.41
11.48
13.11
15.02
16.65
2241.12
3004.26
3609.94
140
143.87
3079.8
3833.09
200
150
100
50
6.1. Chuyển vị của dầm tại vị trí L/2
200
150
100
BD2 (CP2)
BD1 (CP1)
L/2
(CP2)
50
0
0
0
2000
4000
6000
Biến dạng (µε)
0
10
20
30
Hình 4. Biểu đồ quan hệ giữa lực và biến
dạng tại vị trí L/2 của dầm Geopolymer gia
cường 2 lớp CFRP.
Chuyển vị (mm)
Hình 3. Biểu đồ quan hệ giữa lực và chuyển
vị tại vị trí L/2 của dầm Geopolymer gia
cường 2 lớp CFRP.
Kết quả thu được từ thực nghiệm cho
thấy biến dạng tại vị trí L/2 của dầm gia
cường 2 lớp CFRP dầm đúc ở cấp phối 2 nhỏ
hơn dầm được đúc bởi cấp phối 1 khoảng
12%. Khi tải trọng lớn thì dầm đúc bởi cấp
phối 1 có xu hướng xảy ra biến dạng tại vị trí
L/2 lớn hơn so với dầm được đúc bởi cấp
phối 2.
Kết quả thu được từ thực nghiệm cho
thấy chuyển vị tại vị trí L/2 của dầm gia
cường 2 lớp CFRP dầm đúc ở cấp phối 2 nhỏ
hơn dầm được đúc bởi cấp phối 1 khoảng
18%. Khi tải trọng lớn thì dầm đúc bởi cấp
phối 1 có xu hướng chuyển vị lớn hơn so với
dầm được đúc bởi cấp phối 2.
7. Dầm Geopolymer (cấp phối 1) không
gia cường và gia cường CFRP
6.2. Biến dạng của dầm tại vị trí L/2
7.1. Chuyển vị của dầm tại vị trí L/2
7.2. Biến dạng của dầm tại vị trí L/2
150
100
50
150
100
L/2
L/2 - 1 lớp CFRP
L/2 - 2 lớp CFRP
50
0
BD1
0
20
Chuyển vị (mm)
40
0
0
1000 2000 3000 4000
Hình 5. Biểu đồ quan hệ giữa lực và chuyển
vị tại vị trí L/2 của dầm Geopolymer không
gia cường, gia cường 1 và 2 lớp CFRP.
Biến dạng (µε)
Hình 6. Biểu đồ quan hệ giữa lực và biến
dạng tại vị trí L/2 của dầm Geopolymer
không gia cường, gia cường 1 và 2 lớp
CFRP.
Chuyển vị của dầm Geopolymer tại vị
trí L/2 không gia cường và gia cường khi lực
tác dụng dưới 80 kN gần như tương đương
nhau. Khi lực tác dụng vào dầm bằng 90 kN
thì dầm không gia cường CFRP có chuyển vị
lớn hơn dầm gia cường 1 lớp CFRP là 8.12%
và dầm gia cường 2 lớp CFRP là 9.87%. Khi
lực tác dung vào dầm đạt 100 kN thì đầm
không gia cường có chuyển vị lớn và bị phá
hoại, dầm không gia cường có chuyển vị lớn
hơn dầm gia cường 1 lớp CFRP là 70.65% và
dầm gia cường 2 lớp CFRP là 75.41%.
Từ biểu đồ cho thấy biến dạng tại vị
trí L/2 của dầm gia cường 2 lớp CFRP phát
triển chậm theo cấp tải trọng. Dầm không gia
cường có biến dạng lớn khi tải trọng chỉ đạt
80 kN trong khi đó dầm có gia cường vẫn giữ
ở mức biến dạng cho phép trong khả năng
làm việc của dầm.
7.3. Tải trọng xuất hiện vết nứt và tách lớp của dầm Geopolymer
Bảng 5: Tải trọng xuất hiện vết nứt của dầm Geopolymer cấp phối 1.
Cấp phối 1
P1-1 lớp
CFRP (kN)
Cấp phối 2
P2-1 lớp
CFRP (kN)
Thứ tự
vết nứt (kN)
P1
P1-2 lớp
CFRP (kN)
90.56
P2
(kN)
46
P2-2 lớp
CFRP (kN)
90.8
1
2
46
52
72.04
78.56
81.03
93.52
51
84.3
95.38
3
4
5
58
64
72
88.08
89.07
92.29
121.11
97.63
99.34
102.56
124.2
57
64
72
91.12
97.33
99.43
121.93
101.07
102.18
106.62
124.8
Tách lớp
8.1. Chuyển vị của dầm tại vị trí L/2
150
100
50
200
150
100
P1
P1-1 lớp CFRP
L/2
50
0
P1-2 lớp CFRP
0
L/2 - 1 lớp CFRP
L/2 - 2 lớp CFRP
0
2
4
6
Thứ tự vết nứt xuất hiện
0
20
Chuyển vị (mm)
40
Hình 7. Biểu đồ quan hệ giữa lực và thứ tự
vết nứt xuất hiện của dầm Geopolymer không
gia cường, gia cường 1 và 2 lớp CFRP.
Hình 8. Biểu đồ quan hệ giữa lực và chuyển
vị tại vị trí L/2 của dầm Geopolymer không
gia cường, gia cường 1 và 2 lớp CFRP.
Dầm Geopolymer gia cường càng
nhiều lớp CFRP thì tải trọng tác dụng vào
dầm để gây ra sự xuất hiện của các vết nứt
càng lớn. Dầm gia cường 1 lớp CFRP lực tác
dụng để gây ra vết nứt lớn hơn dầm không
gia cường khoảng 46.3%. Lực tác dụng lên
dầm gia cường 2 lớp CFRP gây ra vết nứt lớn
hơn dầm không gia cường khoảng 68.5%
Điều đó cho ta thấy khả năng làm việc và
chịu tải trong của dầm gia cường CFRP tăng
lên đáng kể.
Chuyển vị của dầm tại vị trí L/2 của
cấp phối 2 đối với dầm Geopolymer có gia
cường và không gia cường khi lực tác dụng
vào dầm nhở hơn 80kN gần như tương
đương với nhau. Nhưng khi lực tác dụng vào
dầm đạt 90kN thì dầm không gia cường có
chuyển vị rất lớn trong khi đó dầm gia cường
chỉ chuyển vị nhỏ. Tại lúc này dầm
Geopolymer không gia cường CFRP có
chuyển vị lớn hơn dầm gia cường 1 lớp
CFRP 44.5% và dầm gia cường 2 lớp CFRP
là 48%. Khi lực tác dụng lên 100kN thì dầm
Geopolymer không gia cường bị phá hủy và
có chuyển vị lớn hơn dầm gia cường 1 lớp
CFRP là 104.1% và dầm gia cường 2 lớp
CFRP là 99%.
8. Dầm Geopolymer (cấp phối 2) không
gia cường và gia cường CFRP
8.2. Biến dạng của dầm tại vị trí L/2
Tương tự đối với dầm ở cấp phối 1,
dầm Geopolymer gia cường 1 lớp CFRP có
tải trọng xuất hiện vết nứt lớn hơn dầm
không gia cường CFRP khoảng 57.22%.
Dầm Geopolymer gia cường 2 lớp CFRP có
tải trọng xuất hiện vết nứt lớn hơn khoảng
73.9% so với dầm không gia cường. Vì vậy,
tấm CFRP gia cường làm giảm khả năng xuất
hiện trên dầm Geopolymer đáng kể. Đối với
dầm khi gia cường một lớp CFRP thì vết nứt
đầu tiên xuất hiện ở cấp tải trọng gần như
gấp đôi khí tác dụng vào dầm.
BD2
BD2 - 1 lớp CFRP
BD2 - 2 lớp CFRP
200
150
100
50
0
0
2000
Biến dạng (µε)
4000
6000
Hình 9. Biểu đồ quan hệ giữa lực và biến
dạng tại vị trí L/2 của dầm Geopolymer
không gia cường, gia cường 1 và 2 lớp
CFRP.
9. Kết luận
Từ biểu đồ cho thấy dầm CFRP gia
cường có biến dạng nhỏ hơn rất nhiều khi tải
trọng tác dụng vào dầm Geopolymer tăng
dần. Dầm Geopolymer không gia cường
CFRP có biến dạng lớn hơn dầm gia cường 1
lớp CFRP 112.6% và lớn hơn dầm gia cường
2 lớp CFRP 125.02%. Từ đó cho thấy dầm
Geopolymer có gia cường CFRP có khả năng
chống lại biến dạng vượt trội so với dầm
Geopolymer không gia cường CFRP.
Từ kết quả thực nghiệm cho thấy, khả
năng chịu lực của dầm Geopolymer gia
cường hai lớp CFRP lớn hơn dầm không gia
cường 43.87% và dầm gia cường một lớp
CFRP lớn hơn dầm không gia cường 27.55%
so với dầm không gia cường. Điều đó cho
thấy dầm gia cường càng nhiều lớp thì có khả
năng chịu lực tốt hơn dầm không gia cường.
Tương tự với khả năng chịu lực tốt hơn của
dầm gia cường với không gia cường thì khả
năng chống lại chuyển vị và biến dạng của
dầm gia cường tại các vị trí L/4 và L/2 cũng
tốt hơn dầm không gia cường.
8.3. Tải trọng xuất hiện vết nứt và tách lớp
của dầm Geopolymer
150
Tải trọng tác dụng vào dầm để làm
100
cho tấm gia cường CFRP bị tách ra khỏi dầm
sơ với tổng lực gây phá hoại dầm đạt khoảng
95.6% ờ dầm được gia cường một lớp CFRP
và 86.7% ở dầm gia cường hai lớp CFRP.
Điều đó cho thấy khi gia cường CFRP vào
dầm Geopolymer thì khả năng làm việc
chung của dầm và tấm gia cường tương đối
tốt.
50
P2
P2-1 lớp CFRP
P2-2 lớp CFRP
0
0
2
4
6
Thứ tự vết nứt xuất hiện
Hình 10. Biểu đồ quan hệ giữa lực và thứ tự
vết nứt xuất hiện của dầm Geopolymer không
gia cường, gia cường 1 và 2 lớp CFRP.
Từ những nghiên cứu của luận văn,
các công trình đang được xây dựng hay
chuyển đổi mục đích sử dụng.
có thể áp dụng cấu kiện dầm gia cường vào
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Davidovits J., “Process for the fabrication of sintered panels and panels resulting from the
application of this process”, 1972.
[2] Luận văn thạc sĩ Nguyễn Đức Hoành, chương 4, trang 48 – 56.
Tác giả chịu trách nhiệm bài viết:
Họ tên: Nguyễn Minh Tuân.
Đơn vị: Công ty TNHH TV – TK – XD Kim Hưng Thịnh.
Điện thoại: 0938213797.
Email: [email protected]m
BÀI BÁO KHOA HỌC
THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ
Bài báo khoa học của học viên
có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn
Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ
Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam.
Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý
của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN!
Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2018-2019 của Thư viện Trường Đại học
Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.
9 trang
12/01/2024
17200
Free
Bạn đang xem tài liệu "Gia cường cấu kiện dầm Geopolymer bằng CFRP", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- gia_cuong_cau_kien_dam_geopolymer_bang_cfrp.pdf
