Vật liệu FRP dạng sợi riêng biệt, dạng cuộn và dạng lưới.

Công nghệ xây dựng hiện đại có phương án nữa để gia cường các kết cấu bê tông cốt thép đó là sử dụng nhựa composite gia cường (Fiber Reinforced Polymer, FRP) sẽ khắc phục hoàn toàn nhược điểm của các biện pháp truyền thống, hơn nữa có nhiều ưu điểm nổi trội. Sử dụng FRP để gia cường các cột bê tông cốt thép bảo đảm hỗ trợ cột hiệu quả mà không làm thay đổi kích cỡ, hình thức và trọng lượng của các yếu tố được gia cố. FRP là một trong những giải pháp hữu hiệu nhất để gia cố các công trình có giá trị khảo cổ - lịch sử. Khả năng chống ăn mòn cao nên FRP cũng rất thích hợp để áp dụng trong môi trường biển, khu vực duyên hải.

Vật liệu FRP dạng sợi riêng biệt, dạng cuộn và dạng lưới.

Vật liệu được chế tạo dưới dạng tấm, xoắn thành cuộn dài, điều này giúp tránh sự hình thành các khu vực mối nối. Lắp đặt đơn giản nên chi phí thấp, phù hợp để gia cường các cấu trúc sẵn có nhằm tối thiểu hóa các tác động tiêu cực đến các cấu trúc này. FRP có thể thay thế sắt mà vẫn bảo đảm chất lượng, đồng thời nhẹ và rẻ hơn, dễ lắp đặt hơn, tính kháng ăn mòn cao hơn so với sắt. Nhiều nghiên cứu mở rộng để thử nghiệm FRP ở các mức tải khác nhau và khắc phục các trở ngại kỹ thuật liên quan đến việc ứng dụng vật liệu đã cho những kết quả khả quan.

Nhựa composite gia cường thực chất là các sợi công nghiệp cường độ cao trộn với polymer. Bản thân polymer khả năng chịu lực không cao, nhưng có vai trò quan trọng trong quá trình tổng hợp các sợi, bảo vệ sợi tránh tác động của hóa chất và tia cực tím, và các tác động cơ học. Kinh nghiệm cho thấy kết cấu được gia cố có thể chịu các tải trọng bên ngoài, và có cường độ cao. Các đặc tính của vật liệu FRP thay đổi tùy theo loại sợi được sử dụng (sợi thủy tinh, sợi carbon, sợi aramid, sợi bazan...), lượng sợi trong vật liệu kết dính và nhiều yếu tố khác.

Vật liệu FRP dạng sợi riêng biệt, dạng cuộn và dạng lưới.

Trong vài thập kỷ gần đây, FRP chủ yếu được khai thác trong các lĩnh vực hàng không vũ trụ và quân sự nhờ cường độ cao ở khối lượng tương đối thấp. Để làm vật liệu xây dựng, cho tới nay FRP vẫn chưa thực sự phổ biến, nguyên nhân chính là do giá thành cao.

Sợi thủy tinh được sử dụng trong bê tông ở ba dạng cơ bản: các sợi riêng biệt, cuộn, và lưới (xem các hình). Riêng ở dạng lưới, có nhiều kiểu lưới khác nhau tùy theo hướng của các sợi.

Vật liệu được áp dụng phổ biến nhất trong các kết cấu dân dụng kỹ thuật dưới dạng polymer cốt sợi thủy tinh (GFRP) hoặc sợi carbon (CFRP), polymer cốt sợi aramid (AFRP). Trong đó, các sợi thường không đồng nhất, do đó tính chất cơ học của vật liệu composite sẽ rất khác nhau tùy vào loại sợi, chất kết dính được sử dụng, số lượng sợi và góc của các sợi trong chất kết dính.

Bảng dưới cho thấy các tính chất cơ học của một số vật liệu phổ biến nhất, các chỉ số liên quan đến trục dọc của sợi theo hệ số đàn hồi (E-modulus), biến dạng ngưỡng (Ultimate Strain) và cường độ kéo ngưỡng (Ultimate Tensile Strength- UTS). Tất cả các vật liệu sợi thể hiện tính linh hoạt cho đến giá trị ngưỡng của lực kéo căng. 

Một ưu điểm nữa của FRP là khả năng chịu các tác động ăn mòn của môi trường rất cao, hệ số cường độ/trọng lượng cao. Khối lượng của FRP chỉ xấp xỉ một phần năm khối lượng thép, trong khi cường độ gấp 8 -10 lần so với thép. Ưu điểm của việc sử dụng FRP còn ở sự đơn giản trong sản xuất và lắp đặt, tiết kiệm thời gian và chi phí cho bảo dưỡng kỹ thuật và sửa chữa. FRP có trường điện từ biến thiên, cho phép sử dụng vật liệu trong các công việc lắp ghép đặc biệt.

Như vậy, nguyên tắc cơ bản để gia cường cột bê tông cốt thép bằng FRP là lắp đặt vật liệu trên tất cả các mặt của cột, duy trì hướng của các sợi dọc theo trục dọc của cột. Các sợi kháng được biến dạng ngẫu nhiên do hiệu ứng Poisson khi cột được ép xuống. Áp suất bên được hình thành trong lớp sợi tạo ra ứng suất ba chiều trong bê tông, từ đó cải thiện đáng kể cường độ và độ dẻo đàn hồi so với trạng thái bê tông dưới áp suất trục.

Nguồn: Tạp chí Nhà khoa học trẻ, tháng 3/2022

ND: Lệ Minh