BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
NGUYỄN ĐỨC HOÀN NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CHỊU UỐN
CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT SỢI THỦY TINH CÓ HÀM
LƯỢNG CỐT THẤP BẰNG PHƯƠNG PHÁP
THỰC NGHIỆM

LUẬN VĂN THẠC SỸ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
NGUYỄN ĐỨC HOÀN
NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CHỊU UỐN
CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT SỢI THỦY TINH CÓ HÀM
LƯỢNG CỐT THẤP BẰNG PHƯƠNG PHÁP
THỰC NGHIỆM

LUẬN VĂN THẠC SỸ

NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP
Mã số: 60.58.02.08 CB HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN HÙNG PHONG


dựng, Ban giám hiệu, khoa đào tạo sau đại học, đặc biệt là những thầy cô đã tận tình
giảng dạy cho tôi trong suốt thời gian học tập tại trường.
Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến thầy giáo TS. Nguyễn Hùng Phong cùng
Th.s Phan Minh Tuấn đã dành nhiều thời gian và tâm huyết tận tình giúp đỡ tôi
nghiên cứu và hoàn thành luận văn thạc sỹ này.
Tôi xin cám ơn công ty NUCETECH đã cung cấp vật liệu thanh GFRP để tôi
hoàn thành luận văn này.
Đồng thời, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã luôn
giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi hoàn thành chương trình cao học và luận văn này.
Mặc dù tôi đã luôn cố gắng hoàn thành luận văn này, tuy nhiên không thể
tránh khỏi những thiếu xót, rất mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô và bạn bè. Hà Nội, ngày 15 tháng 06 năm 2014
TÁC GIẢ LUẬN VĂN Nguyễn Đức Hoàn

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
1. Lý do chọn đề tài: 1
2. Mục đích của đề tài: 1
3. Mục tiêu: 1
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 1
5. Phương pháp nghiên cứu: 2
6.Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài: 2
7. Kết quả đạt được: 2
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU CỐT SỢI THỦY TINH 3
1.1 Đặc trưng của vật liệu FRP: 3

3.2 Mẫu thí nghiệm 41
3.3 Chuẩn bị thí nghiệm 43
3.3.1 Cốt GFRP 43
3.3.2 Cốp pha 43
3.3.3 Đổ bê tông và bảo dưỡng 45
3.3.4 Thiết bị đo 45
3.4 Thí nghiệm xác định đặc trưng cơ học của vật liệu 47
3.4.1 Thí nghiệm xác định đặc trưng cơ học của bê tông: 47
3.4.3 Thí nghiệm xác định đặc trưng cơ học của cốt FRP 51
3.5 Tính toán dự đoán khả năng chịu lực của các dầm 52
3.6 Sơ đồ thí nghiệm và bố trí dụng cụ đo 53
3.6.1 Sơ đồ thí nghiệm: 53
3.6.2 Sơ đồ bố trí thiết bị đo: 53
3.6.3 Thiết bị gia tải: 54
3.6.4 Quy trình thí nghiệm 54
3.6 Tính toán xử lý kết quả thí nghiệm 55
3.6.1 Tải trọng phá hoại, cơ chế phá hoại 55
3.6.2 Quan hệ Tải trọng– độ võng (P-δ) 56
3.6.3 Quan hệ Tải trọng– Ứng suất cốt GFRP 58
3.6.3 Quan hệ biến dạng cốt GFRP và biến dạng bê tông vùng nén 60
3.6.4 Sự phát triển vết nứt trên kế cấu thí nghiệm 61
3.6.5 Quan hệ tải trọng- biến dạng bê tông vùng nén. 65
KẾT LUẬN 66
CÁC KÍ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN VĂN
A
f


b
: đường kính của thanh cốt, mm
d
c
: bề dày lớp bêtông bảo vệ đo từ thớ kéo ngoài cùng đến tâm của thanh
hay của vùng sợi gần nhất với thớ đó, mm
E
c

: môđun đàn hồi của bêtông, MPa
E
f: môđun đàn hồi thiết kế hay được bảo đảm của PCS được xác định
bằng môđun trung bình của bộ mẫu thử (E
f
: E
f,ave
), .MPa
E
f,av
e

: môđun đàn hồi trung bình của PCS, MPa
E
s

: môđun đàn hồi của thép, MPa
f

f
y
: ứng suất chảy quy định của cốt thép không ứng lực trước, MPa .
h

: bề cao toàn thể của cấu kiện uốn, mm
I

: mômen quán tính, mm
4

I
cr
: mômen quán tính của tiết diện đã biến đổi do nứt, mm
4

I
e

: mômen quán tính hữu hiệu, mm
4I
g

: mômen quán tính nguyên, mm
4

k : tỉ số của bề cao trục trung hòa so với bề cao của cốt

s : khoảng cách đai hay bước của cốt xoắn liên tục, và khoảng cách
thanh PCS dọc, mm
V
c
: cường độ cắt danh nghĩa tạo bởi bêtông, N
V
n

: cường độ cắt danh nghĩa tại tiết diện, N
V
s

: sức chống cắt tạo bởi đai thép, N
V
u

: lực cắt có nhân hệ số tại tiết diện, N
w : bề rộng vết nứt lớn nhất, mm
α
1
: tỉ số giữa ứng suất trung bình của khối ứng suất chữ nhật tương
đương so với f
c
’
β : tỉ số giữa khoảng cách từ trục trung hòa đến thớ kéo tại biên so với
khoảng cách từ trục trung hòa đến tâm của cốt chịu kéo (Mục 5.3.1)
β
1
: hệ số lấy bằng 0,85 đối với cường độ bêtông f
c

fu
*
:
ε
u,ave
− 3σ
), mm
ε
u,ave

: suất biến dạng kéo trung bình lúc phá hủy của bộ các mẫu thử

η: tỉ số của khoảng cách từ thớ nén tại biên đến trọng tâm của cốt kéo
(d) so với bề cao toàn thể của cấu kiện uốn (h)
ρ
b

: tỉ số cốt thép tạo nên điều kiện suất biến dạng cân bằng
ρ
f
: tỉ số cốt PCS
ρ
min

: tỉ số cực tiểu đối với cốt thép
σ
: độ lệch tiêu chuẩn
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Sơ đồ quy trình sản xuất thanh FRP
Hình 1.2: Hình ảnh quy trình sản xuất thanh FRP tại nhà máy
Hình 1.3: Hình ảnh nhà xưởng sản xuất thanh FRP
Hình 1.4: Một số thanh GFRP có trên thị trường
Hình 1.5: Một số mẫu thử thanh GFRP
Hình 1.6: Bê tông cốt GFRP cho kết cấu mặt cầu
Hình 1.7: Bê tông cốt GFRP cho kết cấu mặt đường
Hình 1.8: Thanh GFRP cho kết cấu tường vây
Hình 1.9: Thanh GFRP cho kết cấu cọc khoan nhồi
Hình 1.10: Bê tông cốt GFRP dùng cho khu vực điện cao thế
Hình 1.11: Bê tông cốt GFRP dùng cho khu vực ven biển có độ ăn mòn cao
Hình 1.12: Sử dụng thanh GFRP tại công trình nhà cho chiến sĩ cảnh vệ thuộc khu
tưởng niêm Đại Tướng Võ Nguyên Giáp
Hình 1.13: Bể tự hoại dung tích 4m3 sử dụng bê tông chất lượng siêu cao với chiều
dày thành bể 3cm kết hợp với cốt GFRP

Hình 1.13: Sản xuất cừ bê tông chất lượng siêu cao kết hợp với thanh GFRP thay
thế cừ larsen thép.
Hình 2.1: Các giai đoạn của trạng thái ứng suất biến dạng trên tiết diện thẳng góc
Hình 2.2: Phân bố biến dạng và ứng suất tại các điều kiện cực hạn theo ACI
Hình 2.3: Phân bố biến dạng và ứng suất tại các điều kiện cực hạn theo CSA
Hình 2.4: Biều đồ xác định hệ số α
Hình 2.5: Biều đồ xác định hệ số β
Hình 2.6: Sơ đồ nội lực và biểu đồ ứng suất trên tiết diện thẳng góc của cấu kiện


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài:
Sợi thủy tinh là một vật liệu mới có nhiều đặc tính ưu việt như cường độ chịu kéo
lớn hơn thép nhiều lần, trọng lượng nhẹ lại không bị gỉ, ăn mòn. Việc ứng dụng sợi
thủy tinh thay thế cốt thép trong kết cấu bê tông đã được nhiều nước áp dụng trong
đó có Việt Nam. Sự làm việc của kết cấu có cốt FRP khác với sự làm việc của cốt
thép thông thường do FRP là vật liệu không đẳng hướng, không có sự chảy dẻo
nên cần có nghiên cứu thực nghiệm để kiểm tính lý thuyết tính toán.
2. Mục đích của đề tài:
Tìm hiểu những ưu điểm và tính chất cơ bản của cốt sợi thủy tinh và một số hạn
chế của nó và khả năng ứng dụng cốt sợi thủy tinh trong kết cấu xây dựng. Thông
qua nghiên cứu thực nghiệm mẫu dầm bê tông cốt sợi thủy tinh. Dựa vào các kết
quả thực nghiệm để đánh giá, so sánh với lý thuyết tính toán và rút ra kết luận khi
sử dụng bê tông cốt sợi thủy tinh trong thiết kế và xây dựng ở Việt Nam.
3. Mục tiêu:
- Xác định khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt GFRP bằng nghiên cứu thực
nghiệm; tìm hiểu quan hệ Tải trọng- Độ võng của dầm bê tông cốt GFRP với
hàm lượng cốt thấp.
- Tìm hiểu các cơ chế phá hoại của dầm bê tông cốt GFRP.
- Nhận xét sự làm việc, các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu lực, độ võng, bề
rộng vết nứt của dầm bê tông cốt GFRP.

3

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU CỐT SỢI THỦY TINH
1.1 Đặc trưng của vật liệu FRP:
1.1.1. Quy trình sản xuất
Thanh Polyme cốt sợi (FRP) mà tiếng Anh là Fiber- reinforced polymer (FRP) là
sản phẩm dạng thanh tạo nên bởi một chất nhựa tổng hợp polyme bao bọc các sợi
thủy tinh hay sợi cacbon tạo nên cốt chịu lực cơ học cho thanh. Thanh FRP ra đời từ
hơn 30 năm, đã được sử dụng để làm cốt cho kết cấu bêtông như một thay thế cho
cốt thép. Thanh FRP được chế tạo từ nhựa polyme rắn nhiệt (thường là polyeste và
vinyleste) còn cốt sợi là sợi thủy tinh, cacbon, aramit. Cát trắng là nguồn vật liệu
chính chiếm 70% về khối lượng để sản xuất ra FRP. Cát được nung chảy thành thủy
tinh lỏng, chế tạo thành các sợi các bon có kích thước vô cùng nhỏ (Đường kính
khoảng 5-10 micromet). Các sợi này được nhúng qua keo polyme rồi bện, quấn lại
thành các thanh, hoặc tấm. Trong nghiên cứu này chỉ đề cập đến vật liệu FRP dạng
thanh. Các Thanh này được sấy khô, tạo ren thành các thanh có đường kính từ 8mm
đến 32 mm. (Chi tiết xem hình 1.1, 1.2, 1.3, 1.4)

Hình 1.1 Sơ đồ quy trình sản xuất thanh FRP

Sợi thủy tinh Thùng keo Quấn tạo ren
Keo epoxy
Tạo hình, sấy khô,
tạo ren
Đùn kéo
Sợi thô
4 Lò sấy Bể làm lạnh Máy cắt

quyết định bởi nhựa. Bảng 1.2 liệt kê các hệ số giãn nở nhiệt của thanh FRP điển
hình và của thép. Lưu ý là hệ số giãn nở nhiệt âm có nghĩa là vật liệu co lại khi tăng
nhiệt độ và giãn ra khi giảm nhiệt độ. Để tham khảo, bêtông có hệ số giãn nở nhiệt
biến đổi từ 7,2×10
−6
đến 10,8×10
−6

o
C và thường được giả thiết là đẳng hướng.
Bảng 1.2 − Hệ số giãn nở nhiệt điển hình của thanh FRP
Phương
Hệ số giãn nở nhiệt × 10
−6 o
C
Thép FRP thủy tinh FRP cacbon FRP aramit
Dọc, α
L

11,7 6,0 đến 10,0 –9,0 đến 0,0 –6 đến –2
Ngang, α
T

11,7 21,0 đến 23,0 74,0 đến 104,0

60,0 đến 80,0
6 1.1.3. Tính chất cơ học

MPa

200,0

35,0 đến 51,0

120,0 đến 580,041,0 đến 125,0

Suất biến dạng
chảy, %
0,14 đến 0,25

không áp
dụng
không áp
dụng
không áp
dụng
Suất biến dạng
kéo đứt, %
6,0 đến 12,0

1,2 đến 3,1 0,5 đến 1,7 1,9 đến 4,4
Cường độ kéo và độ cứng kéo của thanh FRP phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Do vì
các sợi của thanh FRP là thành phần chịu tải chính nên tỉ số của thể tích sợi trên thể
tích toàn bộ của FRP (gọi là tỉ phần thể tích sợi) có ảnh hưởng lớn đến tính chất
chịu kéo của thanh FRP. Cường độ kéo và độ cứng kéo sẽ biến động trong các

u,ave
−
3σ) và môđun đàn hồi quy định E
f
(E
f
= E
f,ave
. ). Các giá trị được bảo đảm này cho
một xác suất 99,87% trường hợp các giá trị đã cho sẽ bị vượt quá bởi các thanh
FRP tương tự, với điều kiện là phải thử ít nhất 25 mẫu. Trong mọi trường hợp, nhà
8

sản xuất phải mô tả phương pháp đã dùng để có được các tính chất kéo đã thông
báo. [1, tr 12]
Bảng 1.4 − Giá trị tối thiểu của cường độ kéo được bảo đảm đối với
các thanh FRP thủy tinh và cacbon
Cỡ
thanh
Φ
(mm)
Cường độ kéo được bảo đảm tối thiểu
FRP thủy tinh, ksi (MPa) FRP cacbon, ksi (MPa)
2 6.3 110 (759) 210 (1449)
3 9.5 110 (759) 190 (1311)
4 12.7 100 (690) 170 (1173)
5 15.9 95 (655) 160 (1104)
6 19 90 (621) 160 (1104)
7 22.2 85 (586) Không áp dụng
8 25.4 80 (552) Không áp dụng

đi qua các lớp nên cường độ cắt lớp đan xen được quyết định bởi chất nền gắn
polyme tương đối yếu. Nếu hướng các sợi theo phương lệch khỏi trục để đi ngang
qua các lớp sợi thì sẽ tăng sức kháng cắt, tùy theo độ lệch trục. Đối với thanh FRP,
việc này có thể thực hiện bằng cách bện hay quấn các sợi theo phương ngang với
sợi chính. Các sợi lệch trục cũng có thể được thêm vào trong quá trình đùn kéo bằng
cách đưa một tấm sợi đan nhỏ vào giá ống sợi thô. Hiện tại chưa định ra phương
pháp thử tiêu chuẩn để xét đặc trưng ứng xử.cắt của thanh FRP. Nếu cần biết các
tính chất chịu cắt của một thanh FRP riêng biệt nào đó thì phải lấy từ nhà sản xuất.
Nhà sản xuất cần mô tả phương pháp thử đã dùng để nhận được các tính chất cắt đã
thông báo.
d. Sự làm việc về dính kết
Chỉ tiêu dính kết của một thanh FRP phụ thuộc hình dạng của nó, quá trình chế
tạo, tính chất cơ học của bản thân thanh và các điều kiện môi trường. Khi neo một
thanh cốt vào trong bêtông, lực dính có thể truyền bởi :
- Sức kháng dính của mặt phân cách, cũng được gọi là sự dính kết hóa học,
- Sức kháng do ma sát ở mặt phân cách chống lại sự trượt, và
- Sự kẹt cơ học do mặt phân cách gồ ghề.
Trong thanh FRP đã có giả định là lực dính được truyền qua nhựa đến sợi cốt và
cũng có thể có sự phá hủy dính-cắt trong nhựa. Khi một thanh cốt có gân dính với
bêtông chịu lực kéo tăng dần, sự dính giữa thanh và bêtông chung quanh bị giảm đi
10

đồng thời các gân trên bề mặt thanh gây nên lực tiếp xúc nghiêng giữa thanh và
bêtông bao quanh. Ứng suất tại bề mặt thanh tạo bởi thành phần lực theo phương
của thanh thì có thể được coi như là ứng suất dính giữa thanh và bêtông.
Đã có rất nhiều nghiên cứu về tính chất dính của thanh FRP như thử nghiệm kéo
tuột, thử nghiệm mối nối và dầm công xôn, xác định chiều dài chôn bằng công thức
kinh nghiệm, v.v.
1.1.4 Ứng xử phụ thuộc thời gian
Thanh FRP chịu tải trọng không đổi quá lâu có thể bị phá hỏng sau một khoảng

phụ thuộc loại nhựa
nhưng thường ở trong khoảng 65 đến 120
o
C.
1.1.6. Ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng của cốt sợi thủy tinh.
Bảng 1.5 − Các ưu điểm và bất lợi của cốt FRP
Ưu điểm của cốt FRP Bất lợi của cốt FRP
Cường độ kéo theo phương dọc là lớn
(thay đổi tùy theo dấu và phương của tải
trọng so với các sợi)
Không có chảy trước khi phá hủy dòn
Sức kháng chịu ăn mòn (không phụ
thuộc lớp phủ)
Cường độ theo phương ngang là thấp
(thay đổi tùy theo dấu và phương của tải
trọng so với các sợi)
Không có từ tính Môđun đàn hồi thấp (thay đổi tùy theo
loại sợi làm cốt)
Độ bền chịu mỏi cao (thay đổi tùy theo
loại sợi làm cốt)
Dễ bị hư hại trong nhựa polyme và các
sợi khi bị phơi lộ trong bức xạ cực tím
Trọng lượng nhẹ (khoảng 1/5 đến ¼
khối lượng riêng của thép)
Sợi thủy tinh kém bền trong môi trường
ẩm ướt
Độ dẫn nhiệt và dẫn điện thấp (đối với
sợi thủy tinh và aramit)
Một số loại sợi thủy tinh và aramit kém
bền trong môi trường kiềm