Công trình bằng kết cấu bê tông cốt thép của bạn sau một thời gian sử dụng bị xuống cấp, hư hỏng. Giải pháp xây mới thì tốn kém, mất rất nhiều thời gian và công sức.

Công trình của bạn cần được tăng khả năng chịu tải vì mục đích nào đó. Hay bạn cần khắc phục những hư hỏng có thể gây sụp đổ công trình, hoặc tăng độ dẽo dai cho kết cấu. Bạn đang tìm kiếm giải pháp sửa chữa công trình, nhằm đảm bảo an toàn sử dụng và cũng như an tâm về mắt tâm lý?

Thực tế cho thấy các giải pháp cho các vấn đề trên thường khó thi công và chi phí khá lớn. Có một giải pháp có những ưu điểm vượt trội so với các giải pháp khác. Nó dễ thực hiện, thi công nhanh chóng, và chi phí thấp. Đó là giải pháp gia cố kết cấu bằng vật liệu composite sợi carbon (CFRP).

Vật liệu CFRP có những đặc điểm nào?  Tại sao tấm sợi carbon lại trở thành giải pháp ưu việt hơn so với các giải pháp khác. Bài viết này sẽ cho bạn cái nhìn tổng quan nhất. Từ đó bạn có thể lựa chọn giải pháp tốt nhất cho vấn đề của mình.

Vật liệu composite sợi Carbon trong xây dựng

Vật liệu FRP là gì?

Vật liệu FRP là một dạng vật liệu composite được cấu tạo từ 2 thành phần chính gồm chất kết dính và sợi. Chất kết dính được làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau (epoxy, polyester, vinylester), phổ biến nhất hiện nay là từ nhựa polymer và epoxy. Sợi là thành phần chính tạo nên đặt tính cơ lý của FRP.

2 thành phần của vật liệu FRP

2 thành phần của vật liệu FRP

Các loại sợi sử dụng phổ biến nhất hiện nay sử gồm có sợi thủy tinh (glass fibers), sợi aramid (aramid fibers) và sợi carbon (carbon fibers). Tùy vào loại sợi mà vật liệu FRP được phân loại thành GFRP (vật liệu gia cường sợi thủy tinh), AFRP (vật liệu gia cường sợi aramid) và CFRP (vật liệu gia cường sợi carbon).

Các dạng vật liệu composite FRP dùng trong xây dựng thường có các dạng tấm, thanh, cáp, vải.

Các dạng vật liệu FRP: Tấm, Cuộn, Bản, Thanh

Các dạng vật liệu FRP: Tấm, Cuộn, Bản, Thanh

Trong sửa chữa và gia cố công trình xây dựng thường dùng các loại FRP dạng tấm và dạng thanh.

Tính chất cơ lý của vật liệu sợi (Fiber)

Sợi gồm hàng ngàn sợi nhỏ (đường kính khoảng vài  ); các sợi liên tục với chiều dài không giới hạn thường dùng trong kết cấu xây dựng còn các sợi ngắn (chiều dài) thường dùng để phủ lên tàu thủy. Sợi liên tục chiếm tỷ lệ % lớn về khối lượng trong FRP hơn so với vật liệu nền (khoảng 60~70%). Hầu hết các tính chất cơ học đặc trưng của sợi đều tốt hơn chất nền. Tuy nhiên, sợi không thể sử dụng độc lập được mà phải sử dụng chung với chất nền để có thể phát huy các đặc tính tốt của nó. Vật liệu sợi gồm 3 loại chính: Sợi thủy tinh, sợi các-bon, sợi aramid. Ngoài ra còn có các loại sợi khác như UHMW (ultrahigh-molecular-weight), PVA (polyvinyl alcohol).

Sợi các-bon là gì?

Sợi Carbon

Sợi Carbon

Sợi carbon được dùng trong các ứng dụng của kỹ thuật công trình dưới dạng là các tấm đan, dệt, các dãy, dây gân gồm các lớp sợi: SM (standard modulus), IM (intermediate modulus), HS (high strength), UHM (ultrahigh modulus) có đường kính với các tính chất vật lý như có màu đen; được sản xuất ở nhiệt độ cao khoảng  cũng có một lớp bề mặt như sợi thủy tinh; sợi các-bon không bị xâm thực bởi môi trường; có hệ số giản nở do nhiệt theo chiều dọc rất thấp, hầu như không có; tuy nhiên có một số nhược điểm như sợi các-bon dẫn điện và dẫn nhiệt; đồng thời giá thành cao.

Tính chất cơ lý của vật liệu nền (Polymer)

Chất nền có độ rỗng; nhiệt độ sử dụng, khi nhiệt độ sử dụng cao hơn nhiệt độ nóng chảy thì cường độ và module của chất nền lẫn FRP đều giảm, chất nền trở nên giòn và xuất hiện nhiều vết nứt; chất nền không có khả năng chống cháy; không bị xâm thực bởi môi trường. Gồm 5 loại chất nền chính: Polyester, Exposy, Vinylester, Phenolic, Polyurethane. Ngoài ra, còn có các lại chất nền khác như: PET, Polypropylene, nylon. Về tính chất cơ học, chất nền là vật liệu đẳng hướng.

Cường độ chịu kéo của vật liệu composite sợi carbon (CFRP) cao hơn thép

Cường độ chịu kéo của thép là khoảng từ 210 Mpa đến 400 Mpa. Cường độ chịu kéo của vật liệu CFRP còn cao hơn nhiều. Tùy theo mục đích sử dụng mà người kỹ sư thiết kế chọn loại sản phẩm có cường độ chịu kéo khác nhau: dao động từ 990 Mpa đến 3400 Mpa. Như vậy ta có thể thấy, vật liệu composite CFRP sợ cacbon có cường độ chịu kéo cao hơn thép khoảng từ 4 đến 8 lần.

Một số đặc tính cơ lý điển hình của tấm FRP của một số nhà sản xuất hiện nay, được thể hiện trong bảng bên dưới:

FRPLoại sợiTrọng lượng|Chiều dày|Cường độ chịu kéo|Mô-đunđàn hồi|
(g/cm2)(mm)(MPa)(GPa)
TyfoSHE-51Glass9301,357526,1
TyfoSCH-35Carbon0,8999178,6
Mitsubishi (www.mitsubishichemical.com)
Replark 20Carbon2000,113400230
Replark 30Carbon3000,173400230
Replark MMCarbon0,172900390
Replark HMCarbon2000,141900640
Sika (www.sika.com)
Hex 100GGlass9131,060026,1
Hex 103CCarbon6181,096073,1
CarboDur SCarbon22401,2-1,42800165
CarboDur MCarbon22401,22400210
CarboDur HCarbon22401,21300300
Degussu Building Systems (www.wabocorp.com)
Mbrace EG 900Glass9000,35151772,4
Mbrace CF 530Carbon3000,173500373
Mbrace AK 60Aramid6000,282000120

Tại sao giải pháp gia cố kết cấu bằng vật liệu FRP được lựa chọn?

Hiện nay, vấn đề gia cường hay nâng cấp các kết cấu bê tông thường đuợc thực hiện bằng cách sử dụng các vật liệu và các biện pháp kỹ thuật truyền thống như:

  • Dán thép tấm lên bề mặt kết cấu
  • Tăng kích thước tiết diện của kết cấu bằng cách phủ thêm lớp áo thép hoặc bê tông
  • Tạo thêm ứng suất bằng phương pháp căng sau.

Các kỹ thuật này tương đối phức tạp, đòi hỏi một số lượng máy móc cơ giới chuyên dụng lớn, thời gian thi công lâu, chi phí thi công và bảo trì không thấp.

Lợi ích lớn nhất khi áp dụng giải pháp gia cường kết cấu với FRP so với các kỹ thuật trên là không tăng thêm kích thước và trọng lượng cho kết cấu.

Trong nhiều trường hợp, giải pháp FRP là lựa chọn kinh tế nhất vì giảm chi phí nhân công và không làm dán đoạn việc sử dụng công trình lâu.

Sức mạnh ưu việt của vật liệu FRP đã đem đến cho bạn nhiều lợi ích hơn nữa:

+ Không chiếm dụng không gian, không làm tăng sức nặng cho kết cấu

+ Cường độ chịu keo cực cao

+ Thi công dễ, thân thiện với môi trường

+ Không bị ăn mòn

+ Không ảnh hưởng tới thẩm mỹ công trình

+ Tương thích với lớp sơn bảo vệ và hoàn thiện.

Ứng dụng của vật liệu FRP

 Trong quá khứ, vật liệu FRP thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp, hàng không vũ trụ và sản xuất ô tô. Bởi vì vật liệu composite FRP có tỷ lệ độ cứng trên trọng lượng là rất cao.

Những năm gần đây, trên thế giới và ở Việt Nam đã bắt đầu ứng dụng vật liệu FRP vào lĩnh vực xây dựng, đặc biệt là sửa chữa gia cố kết cấu bê tông cũ.

Tấm FRP được dùng để thay thế các vât liệu gia cường truyền thống nhờ vào các ưu điểm: khả năng chống mài mòn cao, trọng lượng nhỏ, cách điện chịu nhiệt tốt, cường độ chịu kéo cao, bền theo thời gian, …

Khi lắp đặt tấm FRP không cần có nhiều nhân công, máy móc thiết bị; quá trình thi công diễn ra nhanh chóng, công trình đi vào hoạt động ngay sau khi sửa chữa, gia cố.

Hiện nay vấn đề ứng dụng vật liệu FRP trong các công trình xây dựng đang theo 3 hướng chính:

  1. vật liệu FRP được sử dụng làm vật liệu gia cường, sửa chữa;
  2. vật liệu FRP được sử dụng làm cốt chịu lực trong kết cấu công trình;
  3. bê tông sợi FRP.

Trong vấn đề gia cường, vật liệu FRP ở dạng tấm được sử dụng phổ biến nhất. Tấm FRP có thể được sử dụng để tăng khả năng chịu cắt, uốn của dầm và sàn bê tông cốt thép chịu tải trọng tĩnh hoặc động. Ngoài ra, tấm FRP còn được sử dụng nhiều trong việc tăng cường khả năng chịu nén-uốn và tăng độ dẻo dai cho cột bê tông cốt thép, đặc biệt dưới tác dụng của tải trọng động.

Sửa chữa gia cô kết cấu bằng vật liệu composite sợi carbon

Sửa chữa gia cô kết cấu bằng vật liệu composite sợi carbon

Sơ đồ trên cho thấy 6 cách mà vật liệu FRP có thể dung để gia cường kết cấu. Thứ 7 là lớp phủ bảo vệ cho kết cấu trách khỏi tác động của môi trường, giúp kết cấu làm việc lâu dài theo thời gian mà không giảm khả năng chịu lực.

1- Gia cố sàn bê tông cốt thép, làm tăng khả năng chịu mômen dương và mômen âm, tương ứng với vị trí ở giữa nhịp và ở gối.

2- Gia cố cho vùng biên sàn bị khoắt lỗ.

3- Gia cố dầm bê tông cốt thép: Các dải FRP gia cố cho dầm, làm tăng khả năng kháng uốn và kháng cắt, có hệ neo để tăng khả năng bám dính.

4- Gia cố cho tường, làm tăng độ cứng, tăng khả năng kháng uốn, kháng cắt cho tường.

5- Gia cố cho những mảng tường khoét lỗ, mới phát sinh.

6- Gia cố cột bê tông cốt thép : Bọc cột bê tông cốt thép, tăng cường khả năng chịu lực của cột, tăng cường khả năng kháng uốn- nén, và tăng cường độ dẻo dai của cột.

7- Lớp phủ bảo vệ: Bảo vệ rất tốt cho kết cấu khỏi tác động của môi trường: ăn mòn, hóa chất, mài mòn, chống cháy, và các yếu tố tác động cơ học hay hóa học khác.

Công nghệ dán sợi carbon  

Để tạo ra vật liệu FRP có hai phương pháp chính: phương pháp Pultrusion sản xuất tại nhà máy và phương pháp Hand layup sản xuất tại công trình. Với phương pháp Hand layup thì sợi khô sẽ được tẩm keo rồi dán lên bề mặt kết cấu; lúc đó keo vừa là chất nền trong FRP vừa là chất kết dính FRP và bề mặt kết cấu. Đây là phương pháp được sử dụng phổ biến hiện nay, vì có nhất nhiều ưu điểm, đặc biệt là ưu điểm thuận tiện, dễ thi công.

Công nghệ dán sợi Carbon

Công nghệ dán sợi Carbon

Các dạng hình học của tấm FRP áp dụng phù hợp với để tăng khả năng chịu lực của kết cấu như mong muốn. Cụ thể là kiểu dán và phương dán, độ dày của tấm FRP, số lớp sẽ được kỹ sư kết cấu tính toán cẩn thận.

Kết Luận

Hiện nay, với những đặc tính nổi bật như có khối lượng riêng nhẹ, cường độ chịu kéo cao, không bị ăn mòn, không bị nhiễm từ, và khả năng tự nội soi nhờ vào các cảm biến sợi quang được lồng ghép vào bên trong như một dạng cốt chịu lực thông minh, giải pháp gia cường sử dụng vật liệu FRP đang nổi lên như một giải pháp gia cường hiệu quả.

Như bạn thấy đó, sửa chữa với vật liệu FRP hầu như không làm gia tăng kích thước tiết diện cho kết cấu, và không ảnh hưởng đến công năng sử dụng công trình. Nếu bạn là chủ đầu tư, việc gia cố kết cấu bằng FRP sẽ không làm gián đoạn việc kinh doanh, đồng thời cũng không làm giảm không gian sử dụng. Điều này mang tới nhiều lợi ích kinh tế hơn các giải giáp truyền thống.

Cộng đồng kỹ sư xây dựng Việt Nam cũng đang rất quan tâm vè giải pháp sửa chữa và gia cố kết cấu bằng tấm FRP. Chủ sở hữu các công trình sẽ nhận được nhiều lợi ích từ nó.

Chuyện nghề xây dựng
 ‘Tiền kiếm được từ gây khó dễ cho người khác cuối cùng của thiên cũng trả địa