BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

PHẠM THỊ THU THỦY
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VẬT LIỆU TỔNG HỢP TRONG SỬA
CHỮA, NÂNG CẤP CỐNG DƯỚI ĐẬP CÁC HỒ CHỨA QUY MÔ VỪA
VÀ NHỎ KHU VỰC MIỀN NÚI PHÍA BẮC
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT



NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS. NGUYỄN QUANG CƯỜNG
HÀ NỘI – 2012 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

1.MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài:
Sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật nói chung và khoa học xây
dựng nói riêng ngày càng tạo thêm nhiều cơ hội và thách thức mới cho các chuyên gia
xây dựng, đặc biệt trong giai đoạn phát triển các ứng dụng các loại vật liệu mới. Nhiều
công trình xây dựng sau khi hoàn thành, hoặc sau một thời gian sử dụng đã có những
biểu hiện xuống cấp, cần phải có những giải pháp sửa chữa, khắc phục; nhất là đối với
các hạng mục công trình cống dưới đê, đập thuộc công trình đầu mối thủy lợi, thủy
điện; việc sửa chữa, khắc phục gặp nhiều khó khăn, đòi hỏi phải sử dụng các tiến bộ
của khoa học vật liệu, giải pháp mới, thi công nhanh và giảm giá thành.
Trong điều kiện công nghệ, vật liệu xây dựng và điều kiện môi trường ở Việt
Nam hiện nay, nhiều hạng mục công trình cống dưới đập thuộc công trình đầu mối
thủy lợi, thủy điện đã phát sinh vết nứt, rỗ bề mặt, bê tông bị bào mòn do dòng chảy,
hoặc xuất hiện các hiện tượng nhũ vôi, hoặc hư hỏng ở các bộ phận nối tiếp giữa các
kết cấu trong giai đoạn thi công và sau một thời gian sử dụng. Có rất nhiều nguyên
nhân gây ra vết nứt và hư hỏng ở các vị trí khớp nối như do co ngót, từ biến, cường độ
chịu kéo kém của bê tông hoặc do chất lượng thi công kém… Hậu quả là xuất hiện

Nghiên cứu trong phòng: Nghiên cứu các giải pháp nâng cấp, sửa chữa các cống
dưới đập; đề xuất giải pháp ứng dụng vật liệu tổng hợp vào sửa chữa, nâng cấp cống
dưới đập; Nghiên cứu lý thuyết, và nghiên cứu mô hình số thông qua một số chương
trình tính hiện hành.
Áp dụng thiết kế cho 01 cống dưới đập có kích thước từ 80÷120cm; chiều dài từ
50÷100m. Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

2.CHƯƠNG 1.
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ỨNG DỤNG VẬT LIỆU TỔNG HỢP
COMPOSITE GIA CƯỜNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG XÂY
DỰNG CÔNG TRÌNH.
1.1 TÌNH HÌNH ỨNG DỤNG VẬT LIỆU TỔNG HỢP GIA CƯỜNG KẾT
CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH.
1.1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Theo thời gian, hầu hết các công trình xây dựng bằng vật liệu bê tông, bê tông cốt
thép bị suy giảm khả năng chịu lực vì tiếp xúc thường xuyên với môi trường không
thuận lợi như nắng, mưa, nước mặn, chua, Các kết cấu chịu lực không còn giữ được
nguyên vẹn điều kiện và khả năng chịu tải như ban đầu. Điển hình là các vết nứt xuất
hiện với bề rộng và mật độ lớn hơn giới hạn cho phép. Bề mặt cấu kiện cũng như diện
tích cốt thép bị ăn mòn do xâm thực và rỉ. Ngoài ra, do các tác động phụ thuộc thời
gian như từ biến, co ngót, mỏi, cường độ của bê tông cũng bị suy giảm nhiều dẫn đến
kết cấu làm việc trong điều kiện bất lợi.
Như vậy, để đảm bảo cho việc duy trì khai thác, kéo dài thời gian làm việc của
công trình, một loạt các phương pháp thay mới cũng như sửa chữa nâng cấp đã được
ứng dụng. Phương pháp thay mới hoàn toàn kết cấu đòi hỏi kinh phí lớn và để giải
quyết cho cả một hệ thống gồm rất nhiều công trình thủy lợi thì nó thể hiện sự không
khả thi cũng như hiệu quả kinh tế, cả ngắn hạn lẫn lâu dài. Phương pháp sửa chữa, gia

vật liệu này khá phù hợp cho việc tăng cường độ cứng chịu lực của mặt cắt cấu kiện
khi vẫn cho phép một phần nào độ biến dạng của kết cấu trong vùng chịu kéo. Kết hợp
với ưu điểm cường độ chịu lực cao thì việc sử dụng tấm composite từ sợi các-bon hoặc
thủy tinh cho phép vừa tăng tính dẻo vừa tăng khả năng chịu lực của cấu kiện, điều này
không chỉ thích hợp cho tải trọng tĩnh và hoạt tải thông thường, mà còn thích hợp cho
việc chịu lực động lớn như động đất.
Sử dụng tấm composite để gia cường sức chịu tải cho cấu kiện chịu lực được thực
hiện bằng cách dùng keo dán trên bề mặt của cấu kiện (Hình 1b). Tùy theo mục đích
gia cường mà tấm composite được dán tại vị trí thích hợp. Đối với cấu kiện chịu uốn
thì tấm gia cường thường được dán tại bề mặt vùng chịu kéo (vùng xuất hiện vết nứt
uốn). Nếu mục đích sự gia cường là về sức kháng cắt thì tấm còn được dán ở cạnh bên
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

của mặt cắt. Đối với cấu kiện chịu nén như cột, thì tấm gia cường có thể dán xung
quanh tạo thành lớp vỏ bọc quanh cột, và điều này không chỉ giúp cột thêm sức kháng
uốn mà sức kháng nén cũng được cải thiện rất nhiều nhờ hiệu ứng nén kiềm chế
(confined) được kích hoạt do sự có mặt của lớp vỏ bọc bằng chất liệu chịu kéo tốt hơn
rất nhiều so với bê tông.
Keo dính dùng để liên kết giữa tấm composite và bê tông đóng vai trò quyết định
đến sự làm việc chung giữa kết cấu bê tông cốt thép và tấm gia cường. Với sự phát
triển mạnh mẽ về công nghệ vật liệu hiện nay có thể đảm bảo được sự dính bám giữa
hai loại vật liệu trên ngay cả trong trường hợp chịu tải trọng lớn. Tuy nhiên, tùy theo
mức độ sử dụng tấm gia cường vị trí phá hoại của hệ kết cấu liên hợp có thể không
phải ở vùng dính bám mà ở các vùng khác trong mặt cắt bê tông do sự phân bố lại ứng
suất biến dạng trong mặt cắt sau khi gia cường.
Ứng xử của kết cấu sau khi được gia cường rất phức tạp, vì nó phụ thuộc vào
trạng thái làm việc trước đó của chính bản thân nó. Ngoài ra, đối với các cấu kiện bằng

Trong khoảng 10 năm gần đây, có nhiều nghiên cứu về sự làm việc của tấm gia
cường composite với các loại vật liệu khác nhau như gỗ, bê tông cốt thép cũng như với
nhiều dạng công trình khác nhau, đặc biệt là công trình cầu, được công bố trên thế giới.
Các ứng dụng của phương pháp gia cường này ngoài công trình cầu cũng có thể thấy ở
công trình nhà và các công trình dân dụng khác. Đối với công trình thủy lợi như cống,
thì độ ẩm của công trình luôn ở mức độ cao và điều này yêu cầu những phẩm chất đặc
biệt về keo dính giữa tấm gia cường và bề
mặt kết cấu bê tông cốt thép. Do đặc thù
phức tạp trong điều kiện làm việc của các kết cấu chịu lực trong công trình thủy lợi nên
các nghiên cứu ứng dụng của phương pháp gia cường trên vẫn còn để mở và chỉ một số
ít nghiên cứu được tìm thấy.
1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
Ở Việt Nam, phương pháp gia cường bằng tấm sợi composite là rất mới mẻ và
chưa có nhiều nghiên cứu chuyên sâu để xem xét sự phù hợp của phương pháp trong
kết cấu công trình. Có một số ít tài liệu khoa học liên quan nhưng chủ yếu chỉ mang
tính giới thiệu. Trong ngành giao thông có vài công trình cầu được nghiên cứu theo Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

hướng sử dụng phương pháp gia cường này để nâng cao khả năng chịu tải của cầu
nhằm đáp ứng được lưu lượng xe nặng ngày càng lớn. Tuy nhiên, việc tính toán thiết
kế cho công tác gia cường hoàn toàn phụ thuộc vào đơn vị tư vấn ở nước ngoài. Những
hiểu biết về lĩnh vực này từ các dự án đã và đang triển khai là rất hạn chế. Trong ngành
thủy lợi, giải pháp gia cường này chưa được áp dụng cho một công trình nào.
Như vậy, để ứng dụng và làm chủ được công nghệ gia cường kết cấu bê tông cốt
thép bằng vật liệu composite thì việc nghiên cứu ứng xử của các cấu kiện BTCT thông
qua quan trắc và phân tích các quan hệ ứng suất - biến dạng và diễn biến của chúng
theo thời gian dưới các loại tải trọng và tác dụng khác nhau là rất cần thiết. Việc quan
trắc và phân tích cần được tiến hành một cách bài bản bằng lý thuyết, khảo sát trên mô

Vận hành đóng mỏ cống không đúng qui trình.
e) Kẹt và hư cửa cống
Thiết kế không đảm bảo chất lượng: kết cấu bất hợp lý hoặc không thích hợp.
Chọn sai tổ hợp tải trọng, chọn sai sơ đồ hoặc phương pháp tính.
Gia công, chế tạo, lắp đặt không đảm bảo chất lượng.
Duy tu, bảo dưỡng cửa không đảm bảo chất lượng
Vận hành sai qui trình
f) Gãy cống
Do các nguyên nhân sau đây:
- Đánh giá sai địa chất nền cống;
- Nền cống bị thoái hóa, rỗng.
- Thiết kế không đủ khả năng chịu lực (thành cống mỏng, bố trí cốt thép không
đủ, )
- Thi công bê tông không đảm bảo chất lượng;
- Bê tông thân cống bị thoái hóa.
1.3 CÔNG NGHỆ GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT BẰNG TẤM SỢI TỔNG
HỢP COMPOSITE. Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

1.3.1 Vật liệu cốt sợi tổng hợp
1.3.1.1 Đặc tính cấu tạo
a) Chất kết dính:
Chất kết dính được sử dụng để gắn kết tấm vật liệu cốt sợi tổng hợp và bề mặt
bê tông của cấu kiện. Chất kết dính cung cấp đường dẫn tải trọng cắt giữa bề mặt bê
tông và hệ thống gia cường tấm composite. Chất kết dính cũng được sử dụng để gắn
các lớp vật liệu composite lại với nhau.
Đặc điểm của Epoxy:
- Độ nhớt thấp, rất linh động., có thể thâm nhập vào các kẽ rỗng cực nhỏ bên
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Vật liệu polymer cốt sợi có khối lượng riêng trong khoảng từ 1,2 tới 2,1 g/cm3,
theo đó nhỏ hơn thép 6 lần. Việc giảm khối lượng riêng giúp giảm giá thành vận
chuyển, giảm phần tĩnh tải gia tăng của kết cấu và có thể dễ dàng xử lý vật liệu ở công
trường.
Bảng 1. 1: Khối lượng riêng của các loại vật liệu cốt sợi
Thép
GFRP
CFRP
AFRP
7,9
1,2 – 2,1
1,5 – 1,6
1,2 – 1,5
b) Hệ số dãn nở nhiệt:
Các hệ số dãn nở nhiệt của vật liệu composite chịu lực một chiều khác nhau theo
phương dọc và ngang, phụ thuộc vào kiểu loại cốt sợi, vật liệu kết dính và tỷ lệ cốt sợi.
Bảng 1. 2: Hệ số dãn nở nhiệt của các loại vật liệu cốt sợi

Hệ số dãn nở nhiệt (× 10
P
-6
P
/°C)
GFRP
CFRP
AFRP

vật liệu kết dính) sẽ làm giảm cường độ chịu kéo của các vật liệu cốt sợi thủy tinh và
carbon tới 20%. Các đặc tính khác bị tác động bởi sự truyền lực cắt qua phần vật liệu
kết dính, chẳng hạn như cường độ chịu uốn, sẽ bị giảm đáng kể ở nhiệt độ thấp.
Đối với các việc ứng dụng theo điều kiện lực dính bám của các hệ thống gia
cường bằng vật liệu cốt sợi tổng hợp thì đặc tính vật liệu polymer tại điểm tiếp xúc
giữa bê tông và cốt sợi là thiết yếu cho việc duy trì sự dính bám giữa lớp vật liệu gia
cường và bê tông. Ở nhiệt độ gần với giá trị nhiệt độ tới hạn của nó Tg, các đặc tính cơ
học của vật liệu polymer bị giảm đáng kể và vật liệu này bắt đầu mất khả năng chuyển
đổi ứng suất từ bê tông sang cốt sợi.
1.3.1.3 Đặc tính cơ học
a) Cường độ chịu kéo:
Khi chịu lực kéo trực tiếp, vật liệu cốt sợi tổng hợp không thể hiện ứng xử dẻo
trước khi bị phá hoại. Ứng xử kéo của vật liệu này được biểu diễn bằng quan hệ ứng
suất – biến dạng đàn hồi tuyến tính đến khi bị phá hoại, và trong trường hợp này sự phá
hoại là đột ngột và giòn.
Cường độ kéo và độ cứng của vật liệu cốt sợi composite phụ thuộc vào nhiều
tham số. Vì các sợi trong vật liệu tổng hợp là thành phần chịu tải chính, nên kiểu cốt
sợi, chiều sắp xếp của cốt sợi, lượng cốt sợi và phương pháp cũng như điều kiện chế
tạo cốt sợi ảnh hưởng tới đặc tính chịu kéo của vật liệu này.
b) Ứng xử nén:
Các hệ thống gia cường ngoài bằng vật liệu cố sợi tổng hợp không được sử dụng
cho mục đích gia cường vùng chịu nén. Mô đun đàn hội nén thường nhỏ hơn so với mô
đun đàn hồi kéo. Các kết quả thí nghiệm trên cùng loại vật liệu với tỷ lệ thể tích là 55-
60% của cốt sợi thủy tinh liên tục nằm trong chất kết dính ester hoặc polyester đã cho
thấy là mô đun đàn hồi có giá trị trong khoảng 34000 và 48000 MPa. Mô đun đàn hồi Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

nén xấp xỉ 80% mô đun đàn hồi kéo đối với vật liệu GFRP, 85% đối với CFRP và

Tăng cường khả năng chịu uốn của cột
Tăng khả năng chịu lực, chống nổ cho tường
- Tăng khả năng chịu uốn và bó cột bê tông cốt thép để tăng cường khả năng
chịu lực và chịu tải động. Trong kết cấu bê tông cốt thép, đối với tường bê tông nhẹ và tường không có cốt
thép như các khối xây gạch, vật liệu FRP cũng chứng minh lợi ích bằng cách tăng khả
năng chịu cắt và chịu uốn. Ngoài ra, đối với kết cấu tường vật liệu FRP còn có khả
năng chống cháy, nổ rất tốt.
Tăng cường khả năng chịu cắt và chịu
uốn của dầm
Gia cố sàn bê tông cốt thép bằng tấm
FRP
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật


Với những ưu điểm của vật liệu FRP, việc ứng dụng được trong sửa chữa, gia
cường và bảo vệ một số kết cấu bê tông cốt thép trong công trình thuỷ lợi nêu trên có ý
nghĩa rất lớn cả về kinh tế và kỹ thuật.
Trong điều kiện công nghệ, vật liệu xây dựng và điều kiện môi trường ở Việt
Nam hiện nay, nhiều hạng mục công trình cống dưới đập thuộc công trình đầu mối
thủy lợi, thủy điện đã phát sinh vết nứt, rỗ bề mặt, bê tông bị bào mòn do dòng chảy,
hoặc xuất hiện các hiện tượng nhũ vôi, hoặc hư hỏng ở các bộ phận nối tiếp giữa các
kết cấu trong giai đoạn thi công và sau một thời gian sử dụng. Có rất nhiều nguyên
nhân gây ra vết nứt và hư hỏng ở các vị trí khớp nối như do co ngót, từ biến, cường độ
chịu kéo kém của bê tông hoặc do chất lượng thi công kém… Hậu quả là xuất hiện
dòng thấm, rò rỉ qua công trình, làm suy giảm khả năng chịu lực của công trình, và dẫn
đến làm ảnh hưởng đến mức độ an toàn và quá trình khai thác, vận hành bình thường
của công trình. Mặt khác, hiện nay trong công tác nâng cấp, sửa chữa công trình đầu
mối thủy lợi, một yêu cấp cấp thiết đặt ra cho hạng mục cống lấy nước dưới đập là cần
tăng cường khả năng chịu lực (do thay đổi cột nước tác dụng, thay đổi chế độ làm việc
từ không áp thành có áp) mà không làm thay đổi kết cấu chịu lực chính của cống.
Đặc thù của công tác sửa chữa các công trình kết cấu là trong khi tiến hành sửa
chữa phải bảo đả
m sự hoạt động bình thường của kết cấu. Do đó nếu sửa chữa theo
cách thức thông thường, sử dụng vật liệu truyền thống thì công tác sửa chữa sẽ trở nên
tốn kém. Ứng dụng vật liệu FRP trong công tác sửa chữa, gia cường kết cấu bê tông
cốt thép sẽ làm giảm giá thành công trình; với khả năng chịu lực cao có thể tăng được
khẩu độ của kết cấu.
Để có thể ứng dụng được vật liệu FRP trong các kết cấu nêu trên, cần thiết phải
tiến hành nghiên cứu đầy đủ về ứng xử cơ học của vật liệu cũng như của toàn kết cấu
(xác định được trường ứng suất và biến dạng) đối với từng trường hợp làm việc cụ thể.
Trong phạm luận văn chỉ đi sâu nghiên cứu ứng dụng vật liệu FRP để gia
cường, bảo vệ các kết cấu trong cống dưới đập; tiến hành nghiên cứu lý thuyết, sử dụng


Để mô tả ứng xử của các vật liệu này, thông thường được thể hiện thông qua quan
hệ giữa độ lớn của ứng suất – biến dạng hoặc lực – chuyển vị, những quan hệ này có
thể xác định thông qua các thí nghiệm thích hợp.

Hình 2. 1: Biểu đồ lực – chuyển vị của ứng xử một chiều Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trong hình 2.1, các quan hệ khác nhau giữa tải trọng và chuyển vị được trình bày,
như trong các thí nghiệm kéo và nén. Các biểu đồ thể hiện không chỉ quan hệ trong quá
trình gia tải đơn mà còn cả trong trường hợp giảm tải (đường nét đứt). Hình 2.1a thể hiện
ứng xử đàn hồi. Chuyển vị được phục hồi hoàn toàn khi giảm tải, ở đây không có sự mất
mát năng lượng. Hình 2.1b và 2.1c thể hiện ứng xử vật liệu đàn dẻo. Đường quan hệ tải
trọng và chuyển vị không trở lại hoàn toàn và sau khi giảm tải tồn tại một biến dạng dư
không phục hồi. Diện tích phần xám thể hiện phần năng lượng bị phân tán.
2.1.3 Ứng xử của vật liệu bê tông
a) Ứng xử chịu kéo một trục
Đầu tiên, ứng xử ứng suất – biên dạng của bê tông trong trường hợp chịu tải một
trục sẽ được trình bày. Ứng xử của bê tông dưới tác động kéo của tải trọng trong
trường hợp không có cốt thép đã được rất nhiều nghiên cứu trình bày. Sự phát triển của
nó được thực hiện thông qua từng bước tiến bộ trong kỹ thuật thí nghiệm. Ngày nay có
thể có được những máy móc thí thí nghiệm mẫu lớn và các kỹ thuật đo đạc cao. Sự
phát triển về lý thuyết trong việc mô hình hóa vết nứt cho phép cơ học phá hủy phi
tuyến phát triển.

Hình 2. 2: Ứng xử của mẫu bê tông chịu kéo theo Hillerborg (1983)
Mô hình vật lý đơn giản mô tả sự phát triển vết nứt đã được Hillberborg và những
người khác (1976) đề xuất (xem hình 2.2). Với mô hình nứt giả định này (theo
Hillberborg 183) thì có thể nói, sự dãn dài của thanh bê tông chịu kéo thông qua ứng

Brandtzaeg và Brown (1928) cho mẫu bê tông hình trụ với độ mảnh l/d = 2.

Hình 2. 4: Bê tông bị kéo nén ba trục. a) đường quan hệ ứng suất – biến dạng theo kết
quả thí nghiệm của Richart, Brandtzaeg và Brown (1928) đối với mẫu trụ với d =
102mm và l = 203 mm; (b) Kết quả thí nghiệm của Menne (1977) đối với mặt chảy. Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

d) Ứng xử trong trạng thái ứng suất phẳng
Vì trong kết cấu bê tông, nhiều phần tử chịu tải, hoặc vùng kết cấu chịu tải có thể
được lý tưởng hóa theo các kết cấu phẳng, thì ứng xử của bê tông dưới tác dụng của tải
trọng hai trục được đặc biệt chú ý. Hình 2.5 là kết quả thí nghiệm của Kupfer (1973).
Trong khuôn khổ loạt thí nghiệm này có tổng cộng 240 tấm bê tông với các kích thước
từ 200mm.200mm.50mm được nghiên cứu. Cũng tương tự, các thí nghiệm của van
Mier (1986) cũng được trình bày có kết quả sát với của Kupfer (1973).

Hình 2. 5: Bê tông chịu kéo nén 2 trục. a) Các kết quả thí nghiệm của Kupfer (1973),
von Mier (1986); b) Giới hạn chảy lý tưởng
2.1.4 Ứng xử của vật liệu thép
Trong tính toán thiết kế kết cấu bê tông cốt thép thường được hiểu là cốt thép chỉ
chịu lực dọc theo chiều dài thanh hay cáp, do đó được xem là chịu lực một trục. Trong
hình 2.6 thể hiện các quan hệ tải trọng – chuyển vị điển hình của các loại cốt thép trong
thí nghiệm kéo một trục (Sigrist và Marti, 1993). Đường cong trong hình 2.6a thể hiện
ứng xử của thép tự nhiên trong khi hình 6b thể hiện ứng xử của thép kéo nguội.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật