Phân tích hiệu quả kỹ thuật giải pháp gia cường kết cấu bê tông cốt thép bằng vật liệu cốt sợi tổng hợp

 12 
PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ KỸ THUẬT GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG KẾT CẤU 
BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG VẬT LIỆU CỐT SỢI TỔNG HỢP 
ThS. Nguyễn Chí Thanh 
PGS.TS Lê Mạnh Hùng 
Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam 
GS.TS. Phạm Ngọc Khánh 
Trường Đại học Thủy lợi 
Tóm tắt: Gia cường kết cấu chịu lực bê tông cốt thép bằng việc dán lớp vật liệu cốt sợi 
cường độ cao là một trong các giải pháp duy trì và nâng cao sức chịu tải của kết cấu cũ để đáp 
ứng yêu cầu về khai thác. Để đánh giá tính hiệu quả kỹ thuật của giải pháp này, bài báo giới 
thiệu một số điểm quan trọng cũng như trình bày một số kết quả khảo sát số và khảo sát thực 
nghiệm của cấu kiện bê tông cốt thép được gia cường. 
1. Giới thiệu 
Ngày nay với sự tồn tại của nhiều công 
trình cũ nên việc cải tạo, mở rộng, nâng cấp 
công trình cũ là một giải pháp ngày càng quan 
trọng có thể thay thế cho việc xây mới vốn rất 
tốn kém về kinh tế. Trọng tâm trong lĩnh vực 
này là việc gia cường kết cấu bê tông cốt thép 
sau khi đã khai thác để đáp ứng điều kiện 
cũng như yêu cầu khai thác mới. Các lý do 
cho việc này có thể là: 
 thay đổi việc khai thác công trình do sự 
thay đổi về hệ thống kết cấu hoặc về tải trọng 
 do sự sai sót về thiết kế cũng như thi 
công 
 do ăn mòn đối với cốt thép 
 do ảnh hưởng của môi trường (ví dụ như 
động đất), 
Khoảng 40 năm trước đây, người ta đã biết 
đến việc gia cường sức kháng uốn của kết cấu 
bằng phương pháp dán bản thép. Trong vòng 
20 năm gần đây việc sử dụng vật liệu gia 
cường cốt sợi các-bon và thủy tinh đã thay thế 
dần các bản thép. Các tấm vật liệu tổng hợp 
này được chế tạo từ các cốt sợi phi kim loại 
cường độ cao với khoảng 70% thể tích trong 
sự dính kết với keo epoxi. Trong các vật liệu 
liên kết cốt sợi thì vật liệu sợi các-bon (CFRP) 
có các đặc tính tốt hơn so với các vật liệu cốt 
sợi khác như thủy tinh (GFRP ) và polymer 
aramid (AFRP). Vật liệu kết dính được dùng 
cũng giống như đối với bản thép là keo epoxi. 
Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm 
trước đây về giải pháp gia cường sức kháng 
uốn của kết cấu với các tấm composite cốt sợi 
các-bon được thực hiện ở nhiều nơi trên thế 
giới. Ngày nay thì các tấm gia cường 
composite này được sản xuất phổ biến ở Tây 
Âu, Nhật Bản, Nam Mỹ,.. 
So sánh với các phương pháp gia cố truyền 
thống, phương pháp sử dụng tấm 
composite thể hiện nhiều nhiều lợi thế. Việc 
thi công rất gọn nhẹ, sạch sẽ. Hơn nữa, chiều 
cao kết cấu được giữ nguyên và tĩnh tải gia 
tăng là rất nhỏ. Vật liệu cốt sợi phi kim loại 
cũng có những điểm hạn chế. So với giải pháp 
gia cường bằng các tấm thép thì vật liệu này 
đắt hơn. Việc thi công cũng đòi hỏi người có 
kỹ thuật cao và không thích hợp cho kết cấu 
chịu nhiệt vì dưới tác dụng của nhiệt độ cao 
các keo dính có nhiều vấn đề. 
Vật liệu liệu composite mới gia cường cho 
kết cấu bê tông có tiềm năng lớn và có thể 
đảm nhiệm được cả hai việc: sửa chữa gia 
cường và làm tăng sức chịu tải của kết cấu. 
Với ưu điểm nhẹ, cường độ cao, mô đun đàn 
hồi lớn và khả năng chống ăn mòn cao, vật 
liệu composite cốt sợi các-bon và thủy tinh rất 
thích hợp cho việc gia cường kết cấu bê tông 
cốt thép. Hơn thế nữa, việc sử dụng các tấm 
composite bọc lên bề mặt cấu kiện còn có thể 
bảo vệ và hạn chế sự gỉ cũng như ăn mòn của 
các phần cốt thép bên trong lòng bê tông. 
 13 
2. Phương pháp gia cường kết cấu bằng 
tấm sợi tổng hợp 
2.1. Vật liệu cốt sợi tổng hợp 
2.1.1. 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 giúp truyền tải trọng 
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. 
b) Cốt sợi: 
Các cốt sợi thủy tinh, aramid và các-bon 
thường được sử dụng với hệ thống gia cường 
bằng vật liệu composite. Các cốt sợi này giúp 
cho hệ thống gia cường về mặt cường độ và 
độ cứng. 
e) Lớp bảo vệ: 
Lớp bảo vệ giúp giữ gìn cốt thép gia cường 
đã được kết dính khỏi các tổn hại tiềm năng 
do môi tác động môi trường và cơ học. Lớp 
bảo vệ được ứng dụng điển hình ở bề mặt 
ngoài của hệ thống gia cường sau khi thực 
hiện việc bảo dưỡng lớp kết dính. Việc bảo vệ 
này có nhiều dạng khác nhau. Chúng bao gồm 
keo epoxy, hệ thống kết dính tạo nhám, lớp 
bảo vệ chống cháy,... 
2.1.2. Đặc tính vật lý 
a) Khối lượng riêng: 
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: Khối lượng riêng của các loại vật 
liệu cốt sợi (g/cm3) 
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 2: Hệ số dãn nở nhiệt của các loại 
vật liệu cốt sợi 
Hệ số dãn nở nhiệt (× 10-
6/°C) 
GFRP CFRP AFRP 
Theo chiều 
dọc, L 
6 tới 10 –1 tới 0 –6 tới –2 
Theo chiều 
ngang, T 
19 tới 23 22 tới 50 60 tới 80 
Ghi chú: đây là các giá trị điển hình đối với 
hàm lượng thể tích cốt sợi thay đổi trong 
phạm vi 0,5 tới 0,7 [1]. 
c) Ảnh hưởng của nhiệt độ cao: 
Phụ thuộc vào nhiệt độ, mô đun đàn hồi 
của vật liệu polymer bị giảm đáng kể do sự 
thay đổi cấu trúc vật liệu của nó. Ở vật liệu 
composite FRP, cốt sợi thể hiện đặc tính nhiệt 
tốt hơn so với chất kết dính và có thể tiếp tục 
chịu một số tải trọng theo phương dọc thớ cho 
đến khi nhiệt độ đạt tới giới hạn làm chảy cốt 
sợi. Điều này có thể xảy ra khi nhiệt độ vượt 
quá 1000°C. Cốt sợi thủy tinh có khả năng 
chịu nhiệt không quá 275°C. Do sự giảm lực 
chuyển đổi giữa các cốt sợi thông qua liên kết 
tới chất kết dính, đặc tính chịu kéo của vật 
liệu composite bị giảm. Các kết quả thí 
nghiệm đã cho thấy, ở nhiệt độ 250°C (cao 
hơn nhiều so với nhiệt độ giới hạn của 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. 
2.1.3. 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 
 14 
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 
cốt 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 nén xấp xỉ 80% mô đun đàn 
hồi kéo đối với vật liệu GFRP, 85% đối với 
CFRP và 100% đối với AFRP. 
2.2. Các dạng phá hoại 
Cường độ chịu uốn của mặt cắt phụ thuộc 
vào kiểu phá hoại. Các dạng phá hoại sau đây 
cần được khảo sát đối với mặt cắt cấu kiện 
được gia cường bằng lớp vật liệu cốt sợi tổng 
hợp. 
 Sự phá hoại của bê tông trong vùng nén 
trước khi cốt thép thường bị chảy, 
 Sự chảy dẻo của thép trong vùng chịu 
kéo ngay sau khi xảy ra sự phá hoại của tấm 
gia cường, 
 Sự chảy dẻo của thép trong vùng chịu 
kéo sau khi có sự phá hoại của bê tông vùng 
chịu nén, 
 Sự bóc tách của lực cắt hoặc kéo của lớp 
bê tông bảo vệ và 
 Sự bóc tách của lớp vật liệu gia cường 
khỏi bề mặt bê tông. 
Sự phá hoại do nén của bê tông được giả 
định là xảy ra nếu biến dạng nén trong bê tông 
đạt tới giá trị biến dạng giới hạn (c = cu = 
0,003). Sự phá hoại từ lớp gia cường được giả 
định là xảy ra khi biến dạng của lớp gia cường 
đạt tới giá trị biến dạng tới hạn trong thiết kế 
(f = fu) trước khi bê tông đạt tới biến dạng 
cực hạn. Sự bóc tách của lớp bê tông bảo vệ 
hoặc của lớp vật liệu gia cường xảy ra nếu lực 
trong lớp gia cường vượt qua khả năng chịu 
đựng của liên kết bề mặt. Với mặt cắt được 
gia cường lớp ngoài bằng vật liệu cốt sợi tổng 
hợp, phá hủy do sự bóc tác có thể là chủ yếu 
(hình 1b). Để tránh những dạng phá hủy do 
bóc tách bởi các vết nứt xiên, biến dạng có 
hiệu trong cốt liệu gia cường cần nhỏ hơn biến 
dạng mà sự bóc tách có thể xảy ra, fd. Theo 
ACI 440.2R-08 (2008) thì giá trị này được xác 
định như sau: 
(1.1) 
Cũng theo ACI 440.2R-08 (2008), giá trị 
biến dạng thiết kế của tấm gia cường được đề 
nghị lấy là fd ≤ 0,7fu. Để đảm bảo phá hoại 
xảy ra theo dạng này, thì chiều dài dính bám 
phải lớn hơn một giá trị tính toán. 
a) Ứng xử của cấu kiện bê tông chịu uốn được gia cường 
b) Sự bóc tách của lớp gia cường do vết 
nứt uốn hoặc cắt 
c) Sự bóc tách của lớp bê tông và vật liệu 
gia cường 
Hình 1: Các dạng phá hoại điển hình của cấu kiện chịu uốn 
được gia cường bằng tấm sợi tổng hợp [1] 
 15 
3. Phân tích sức kháng uốn của mặt cắt 
được gia cường bằng phương pháp số 
Để đánh giá được hiệu quả của việc gia 
cường, trong phần này trình bày một khảo sát 
sức kháng uốn đối với mặt cắt bê tông cốt 
thép có kích thước BxH = 100cm x 20cm, 
mác bê tông #200 với cốt thép có giới hạn 
chảy là 340 MPa được bố trí như trên hình 
2b. Ba mặt cắt với các mức độ gia cường 
khác nhau được nghiên cứu: MC-0 (không 
gia cường), MC-1 (gia cường một lớp) và 
MC-2 (gia cường 2 lớp ở phía dưới mặt cắt). 
Các thông số về tấm gia cường composite 
được lấy từ nhà cung cấp Fyfe với chủng loại 
SEH-25A có bề dày 0,635mm, cường độ chịu 
kéo 521 MPa, mô đun đàn hồi 26,1 GPa và 
độ dãn dài cực hạn 2,0%. Keo dính được sử 
dụng có cường độ chịu kéo là 72,4 MPa, mô 
đun đàn hồi 3,18 GPa và độ dãn dài 5,0%. 
Trong trường hợp chịu uốn, keo dính có 
cường độ là 123,4 MPa và mô đun đàn hồi là 
3,12 GPa. 
0
50
100
150
200
250
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08
M
om
en
t (
kN
m
)
Độ cong (1/m)
MC-0
MC-1
MC-2
0
50
100
150
200
250
3 4 5 6 7 8
M
om
en
t 
(k
N
m
)
Chiều cao chịu nén x (cm)
MC-0
MC-1
MC-2
Hình 2: Ứng xử của mặt cắt bê tông cốt thép gia cường bằng vật liệu composite 
Các tính toán được thực hiện cho mặt cắt 
nứt với giả thiết là bê tông hoàn toàn không 
chịu kéo. Đường cong ứng suất-biến dạng của 
bê tông được xác định theo tiêu chuẩn Model 
Code 2010 [2]. Việc tính toán trạng thái ứng 
suất, biến dạng của mặt cắt dưới tác dụng của 
tải trọng mô men dựa trên phương pháp lặp 
Newton-Raphson và tích phân ứng suất mặt 
cắt thông qua ứng dụng chương trình BMAP 
[3]. Hình 2 thể hiện kết quả tính toán được 
biểu diễn thông qua các quan hệ a) độ cong – 
mô men và b) chiều cao vùng chịu nén của bê 
tông – mô men. 
Các đường cong quan hệ trên hình 2a cho 
thấy độ cứng kháng uốn của mặt cắt gia cường 
(MC-1 và MC-2) cao hơn đáng kể so với độ 
cứng của mặt cắt không gia cường (MC-0). 
Sức kháng uốn của mặt cắt sau khi gia cường 
1 lớp tăng gần gấp 2 lần trong trường hợp này 
(tỷ lê mô men 195/100). Khi gia cường 2 lớp 
thì sức kháng uốn có tăng hơn nữa (tỷ lệ 2,3 
lần). Việc gia cường đã làm cho chiều cao mặt 
cắt thay đổi chút ít, nhưng với sự phân bố của 
hàm lượng vật liệu cường độ cao nhiều ở mặt 
dưới của mặt cắt đã làm cho vị trí trục trung 
hòa dịch chuyển xuống phía dưới theo hướng 
làm tăng chiều cao vùng chịu nén (Hình 2b). 
Việc này kéo theo điểm ứng với tải trọng làm 
chảy cốt thép thường vùng chịu kéo được dịch 
chuyển theo hướng tải trọng tăng vì biến dạng 
của nó trong trường hợp mặt cắt cùng độ cong 
bị giảm. Các điểm nằm trên một đường thẳng 
và được thể hiện trên hình 2a và 2b. Cho đến 
khi cốt thép thường bị chảy, ứng xử của mặt 
cắt là tuyến tính. Khi cốt thép chảy làm cho 
biến dạng vùng chịu kéo tăng nhanh kéo theo 
độ cong cũng tăng nhanh khi tải trọng tăng. 
Điều này lại làm giảm chiều cao vùng chịu 
nén của mặt cắt (đoạn cong trên hình 2b). Sự 
giảm này phụ thuộc vào tỷ lệ hàm lượng cốt 
thép thường vùng chịu kéo và vật liệu gia 
cường. Ở mặt cắt không gia cường, do cốt 
thép thường bị chảy nên chiều cao vùng chịu 
nén giảm mạnh, sức chịu tải của mặt cắt 
không lớn. Với mặt cắt gia cường hai lớp có 
sự giảm nhẹ về chiều cao vùng chịu nén hơn 
so với trường hợp gia cường một lớp. Cho đến 
khi bê tông bị chảy dẻo, chiều cao vùng chịu 
 16 
nén lại tăng dần và rồi đến một giới hạn nào 
đó thì bê tông vùng nén bị phá hủy. Như vậy, 
việc gia cường vật liệu composite ở vùng chịu 
kéo đã làm tăng đáng kể chiều cao chịu nén 
của bê tông và điều này dẫn tới sức kháng uốn 
của mặt cắt được tăng lên. Đây chính là điểm 
cơ bản thể hiện hiệu quả của việc gia cường 
cấu kiện chịu uốn bằng cách dán lớp vật liệu 
cường độ cao ở vùng chịu kéo. 
4. Đánh giá hiệu quả của phương pháp 
gia cường bằng thực nghiệm 
Để đánh giá hiệu quả của phương pháp gia 
cường, ở phần này trình bày kết quả thí nghiệm 
của bản bê tông cốt thép chịu uốn. Các bản này 
có kích thước làm việc là B x L x H= 60cm x 
100cm x 6cm, được chế tạo bởi bê tông mác 
#200, cốt thép có cường độ chảy là 340 MPa 
(hình 3). Bản B01 không gia cường, các bản còn 
lại B02, B03 và B04 được gia cường bằng tấm 
cốt sợi từ nhà cung cấp Fyfe với chủng loại 
SEH-25A có bề dày 0,635mm, cường độ chịu 
kéo 521 MPa, mô đun đàn hồi 26,1 GPa và độ 
dãn dài cực hạn 2,0%. Keo dính được sử dụng 
có cường độ chịu kéo là 72,4 MPa, mô đun đàn 
hồi 3,18 GPa và độ dãn dài 5,0%. Trong trường 
hợp chịu uốn, keo dính có cường độ là 123,4 
MPa và mô đun đàn hồi là 3,12 GPa. Các quan 
hệ chuyển vị tại giữa tấm và tải trọng của các 
bản này được thể hiện trên hình 3. 
Ở đây, bản B01 với chỉ cốt thép thường thể 
hiện môt miền chảy dẻo rất lớn và có chuyển 
vị ở trạng thái tới hạn là 38mm. Ở trạng thái 
này, bản có tỷ lệ chuyển vị tương đối so với 
chiều dài nhịp uốn là 3,8%. Tải trọng lớn nhất 
mà bản B01 chịu được là khoảng 17 kN. 
Ngược lại, các bản B02, B03 và B04 gần như 
không có miền chảy dẻo do bị phá hoại đột 
ngột bởi sự bong bật của lớp gia cường. Các 
đường cong quan hệ giữa chuyển vị và tải 
trọng có cùng một dạng và giá trị tải trọng tới 
hạn cũng như chuyển vị tới hạn tương đối gần 
nhau. Ở đây, giá trị trung bình của tải trọng tới 
hạn là xấp xỉ 50 kN, của chuyển vị là 11mm. 
Như vậy ở thử nghiệm này, kết cấu bản được 
gia cường có sức chịu tải lớn xấp xỉ bằng ba 
lần so với kết cấu không gia cường (300%). 
26
0m
m
60
0m
m
6/
15
0m
m
Hình 3: Biểu đồ quan hệ chuyển vị-tải trọng ở vị trí giữa dầm 
5. Kết luận 
Với những ưu điểm về vật liệu như cường 
độ chịu tải lớn, khối lượng nhẹ so với các vật 
liệu truyền thống, và về sự thuận tiện trong 
việc thi công, phương pháp gia cường kết cấu 
chịu lực bê tông cốt thép bằng việc dán vật 
liệu cốt sợi tổng hợp thể hiện sự hiệu quả kỹ 
thuật cao. Sự tăng cường vật liệu cường độ 
cao này ở những vùng chịu kéo làm tăng chiều 
cao chịu nén của mặt cắt bê tông, kéo theo sự 
tăng về sức chịu tải uốn của cấu kiện. Khảo 
sát số và thực nghiệm đều cho thấy, việc gia 
cường bằng tấm vật liệu composite cũng làm 
tăng đáng kể độ cứng của cấu kiện sau khi gia 
 17 
cường. Vì vật liệu gia cường có giới hạn biến 
dạng phá hoại cao, nên sự phá hoại của mặt 
cắt chịu lực chủ yếu xảy ra do bê tông vùng 
chịu nén vượt quá khả năng chịu lực. Sự 
chuyển đổi từ dạng phá hoại dẻo do cốt thép 
thường sang phá hoại dòn ở bê tông vùng chịu 
nén đã khai thác được tối đa sự chịu lực của 
bê tông, và do đó hiệu quả gia tăng sức chịu 
tải của kết cấu là cao (300% cho trường hợp 
kết cấu được thí nghiệm trong khuôn khổ bài 
báo này). 
Ngoài các dạng phá hoại thông thường của 
mặt cắt do sự đứt của cốt liệu chịu kéo hoặc 
sự phá hoại nén của bê tông, thì ở phương 
pháp gia cường này cũng có thể có sự phá 
hoại do bóc tách của lớp gia cường khi chiều 
dài lớp gia cường không đủ lớn. Việc nghiên 
cứu đánh giá ảnh hưởng của mức độ gia 
cường, chiều dài gia cường, sự dính bám giữa 
bê tông và lớp vật liệu gia cường cùng với sự 
làm việc chung của bê tông vùng chịu kéo là 
rất cần thiết. 
Tài liệu tham khảo 
[1] ACI: Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for 
Strengthening Concrete Structures, Report by ACI Committee 440, American Concrete 
Institute, July 2008. 
[2] MC2010: Model Code 2010, First complete draft, Volume 1 & 2, fib Bulletin 55, 03-
2010. 
[3] N.L. Tran, C.A. Graubner: Numerical Detimination of Bending Stiffness of Reinforced 
Concrete Elements under Repeated Loading, Darmstadt Concrete, Annual Journal on Concrete 
and Concrete Structures, Vol. 25, Darmstadt 2010. 
Abstract: 
TECHNICAL EFFECTIVENESS ANALYSIS OF REINFORCED CONCRETE 
STRUCTURES STRENGTHENED WITH FRP PLATES 
Using FRP plates to cover the surface of reinforced concrete structures is one of the various 
strengthening methods, which can recorver and also make the load-bearing of structures 
stronger to adapt the new requirement of exploitation. To determine the technical effectiveness 
of this method, this paper introduces some important points of the method and also presents 
results of numerical as well as experimental analysises of reinforced concrete elements 
strengthed with FRP plates.