Sử dụng thanh composite cốt sợi Các-bon để tăng cường khả năng chịu lực cắt của dầm bê tông cốt thép

KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 42 (9/2013) 65 
SỬ DỤNG THANH COMPOSITE CỐT SỢI CÁC-BON 
ĐỂ TĂNG CƯỜNG KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CẮT CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP 
Trịnh Quang Minh1,2, Kiều Minh Thế1 , Vũ Đình Phụng1, 
Tóm tắt: Bài báo này trình bày việc sử dụng các thanh FRP cốt sợi các-bon (CFRP) gia cường cho dầm 
BTCT theo phương pháp NSM (near surface mounted), bằng cách đặt các thanh CFRP trong các rãnh được 
tạo trước trên lớp bê tông bảo vệ trong vùng chịu cắt lớn. Tiến trình thí nghiệm và các dạng phá hoại của 
dầm thí nghiệm đã được phân tích và thảo luận. Kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng gia cường bằng các thanh 
CFRP theo phương pháp NSM cải thiện đáng kể khả năng chịu cắt và hạn chế đáng kể sự xuất hiện của vết 
nứt trên dầm bê tông cốt thép. 
Từ khóa: Gia cường chống cắt, phương pháp NSM, CFRP, dầm BTCT gia cường, 
1. Đặt vấn đề1 
Đối với các kết cấu bê tông cốt thép (BTCT), sau 
một thời gian đưa vào khai thác và sử dụng, các vết nứt 
xuất hiện với bề rộng và mật độ lớn hơn giới hạn cho 
phép dẫn đến cốt thép bị ăn làm cho kết cấu bị suy 
giảm về khả năng chịu lực. Vật liệu composite cốt sợi 
các-bon, với ưu điểm là nhẹ, cường độ chịu kéo cao, 
mô đun đàn hồi lớn và khả năng chống ăn mòn cao, là 
loại vật liệu thích hợp để sửa chữa, và tăng cường khả 
năng chịu lực cho các kết cấu BTCT. 
Có nhiều nghiên cứu đã được thực hiện liên quan 
đến vấn đề sửa chữa và gia cường cho các kết cấu 
BTCT bằng cách sử dụng vật liệu composite cốt sợi 
thủy tinh, hoặc các-bon. Các nghiên cứu này chủ yếu 
tập trung vào việc tăng khả năng làm việc của kết 
cấu dưới tác dụng của mô men uốn bằng phương 
pháp dán các tấm composite 1,2,3,4,7, 8,9. Tuy 
nhiên hạn chế của phương pháp này là các tấm 
composite khi dán bên ngoài bề mặt của kết cấu sẽ 
chịu tác động trực tiếp của môi trường như là tia cực 
tím, nhiệt độ, độ ẩm do đó có thể làm giảm khả năng 
làm việc và tuổi thọ của vật liệu gia cường 7. Ngoài 
ra, các vết nứt xuất hiện trong vùng chịu lực cắt lớn 
vẫn tiếp tục phát triển làm tăng khả năng bị bong bật 
của vật liệu dán ở dưới đáy kết cấu, làm giảm hiệu 
quả của việc gia cường 3. 
Bài báo này đề cập đến việc sử dụng các thanh 
vật liệu composite được cấu tạo từ sợi cacbon nhằm 
tăng cường khả năng chịu lực cắt của dầm bê tông 
cốt thép. Các thanh vật liệu composites được đặt vào 
rãnh trong phần bê tông bảo vệ, tại vùng chịu lực cắt 
của dầm bê tông cốt thép do đó có thể tránh được 
1Trường Đại học Thủy lợi 
2Laboratory of material durability of construction 
(LMDC) - University of Paul Sabatier 
các tác động trực tiếp từ môi trường. Phương pháp 
này còn được gọi là NSM. 
2. Mẫu thí nghiệm - Hình học và vật liệu 
2.1. Kích thước hình học của mẫu thí nghiệm 
Các dầm được sử dụng có kích thước đồng nhất 
200 x 20 x 15 cm. Dầm được đặt 3 thanh 16 trong 
vùng chịu kéo, ngoài ra các thanh 6 được sử dụng 
làm cốt thép dọc cấu tạo và cốt thép đai với khoảng 
cách là 20 cm. Các kích thước hình học và bố trí cốt 
thép của dầm được thể hiện trong hình 4 
2.2. Vật liệu 
2.2 3. Bê tông 
Bê tông được sử dụng có mác 300. Mẫu bê tông 
thí nghiệm có dạng hình trụ, đường kính d=110mm, 
chiều cao h=2d=220mm. Các tính chất cơ học của 
bê tông được xác định là mô đun đàn hồi, cường độ 
chịu nén và cường độ chịu kéo được xác định bằng 
phương pháp ép chẻ, theo tiêu chuẩn NFP 18 – 406 
10 
Các tính chất cơ học của bê tông được đưa ra 
trong bảng 2 dưới đây. 
2.2.2. Thép và thanh composite gia cường 
Thép được sử dụng là loại thép có gờ, có cường 
độ chịu kéo 480Mpa, mô đun đàn hồi là 
210 000MPa. 
Thanh composite được sử dụng có đường kính là 
6mm, có bề mặt trơn nhẵn, được cấu tạo từ những 
sợi các-bon được bó chặt, kết dính với nhau bởi keo 
époxy. Vật liệu composite sử dụng được sản xuất 
bởi công ty Soficar – CH Pháp. Các tính chất cơ học 
của vật liệu composite được xác định bằng các phép 
đo trong phòng thí nghiệm, trong nghiên cứu này tác 
giả không tiến hành các phép đo đó, mà sử dụng 
những kết quả thí nghiệm đã công bố trước đó bởi 
Al-Mhamoud F 6 
 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 42 (9/2013) 66 
Hình 1 - So sánh ứng xử của vật liệu composite 
và thép khi chịu kéo6 
Kết quả thí nghiệm thí nghiệm chỉ ra rằng mô 
đun đàn hồi của thanh vật liệu composite cốt sợi các-
bon nhỏ hơn khoảng 30% so với thép, nhưng có 
cường độ chịu kéo gấp 4 lần. Các tính chất cơ học 
của thép và composite được giới thiệu trong bảng 1. 
Bảng 1 - Các tính chất cơ học của vật liệu thép 
và composite 
Vật liệu 
Cường độ chịu 
kéo (Mpa) 
Mô đun đàn hồi 
(Gpa) 
Thép 480 210 
Composite 1875 145.9 
2.2.3. Vật liệu kết dính 
2 loại vật liệu kết dính được sử dụng là epoxy 
Eponal 380, và vữa betec 110EDF, các tính chất cơ 
học của vật liệu được giới thiệu trong bảng 2: 
Bảng 2 - Các tính chất cơ học của Bê tông 
và vật liệu kết dính 
Vật liệu 
Cường 
độ chịu 
nén 
(Mpa) 
Cường 
độ chịu 
kéo 
(Mpa) 
Mô đun 
đàn hồi 
(Gpa) 
Eponal 380 (7 ngày) 83 29.5 4.9 
Betec 110 EDF (7 ngày) 74.4 6.2 31.6 
BO30 (28 ngày) 34.0 3.0 32.2 
3. Phương pháp thí nghiệm 
3.1. Phương pháp gia cường (NSM) 
Dầm bê tông được bảo quản ở nhiệt độ 20oC và 
độ ẩm 80%. Sau 21 ngày, dầm sẽ được tạo các rãnh 
trên lớp bê tông bảo vệ, các rãnh này nghiêng một 
góc 45oC so với trục dọc dầm. Sau khi tạo rãnh, tiến 
hành đổ một lớp keo (hoặc vữa) mỏng cho phép đặt 
các thanh composite, các rãnh này sẽ được lấp đầy 
bằng keo hoặc lớp vữa, sau khi đặt thanh composite 
như hình 2. Dầm sau khi gia cường sẽ được bảo 
quản 1 tuần, trước khi tiến hành các thí nghiệm. 
Để tăng độ bám dính của thanh composite, tác 
giả đã xử lý bề mặt như trên hình 3 bằng cách quét 1 
lớp keo dính sau đó lăn qua cát, hạt cát sẽ dính bám 
trên bề mặt của thanh, làm tăng độ ma sát và khả 
năng bám dính của thanh khi neo trong bê tông, điều 
này đã được khẳng định trong nghiên cứu của Al-
Mhamoud F 6. 
(a) - ban đầu; (b), (c) và (d) - thanh được bọc bởi 
1, 2 và 3 lớp cát. 
Hình 2 - Xử lý neo thanh các-bon vào dầm bê tông Hình 3 – Xử lý bề mặt thanh composite 
3.2. Phương pháp tiến hành 
Dầm thí nghiệm được chia làm 3 nhóm chính: 
Nhóm (A): thí nghiêm uốn 4 điểm: dầm đối chứng 
(P1) không có cốt đai tại vùng chịu cắt, dầm đối chứng 
có cốt đai tại vùng chịu cắt (P2), dầm gia cường bằng 4 
thanh composite và không sử dụng cốt đai (P3); 
Nhóm (B): thí nghiệm uốn 3 điểm, gồm có dầm 
đối chứng (P4) có cốt đai ở vùng chịu cắt; dầm 
không sử dụng cốt đai tại vùng chịu cắt gia cường 
bằng 3 thanh composite (P5) - sử dụng vật liệu keo 
epoxy để kết dính, và (P6) - sử dụng vật liệu vữa 
Betec làm vật liệu kết dính; 
Nhóm (C): thí nghiêm uốn 3 điểm, dầm không có 
cốt đai tại vùng chịu cắt được gia cường bằng 1 
thanh composite trong vùng chịu cắt (P7), sử dụng 
vật liệu keo epoxy để kết dính. 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 42 (9/2013) 67 
Dầm được gia tải bằng máy 300 tấn, và được đặt 
máy đo chuyển vị tại điểm giữa dầm cho phép đo độ 
võng của dầm. Phân loại và sơ đồ đặt tải được trình 
bày trong hình 4: 
10 60 3x20 60 10
F F
10 45
F
10 60 3x20 60 10
F F
10 45
10 60 3x20 60 10
F F
10 45
10
45
10
3x15
F
F
F
DÇm P3
2x15
15
2x15
15
15
10
6@20 6
6
135
180
6 @20
6A
A
B
B
A-A
2 FRP 6
6
6
B-B
20
15
20
15
6
VL kÕt dÝnh
2 FRP 6
6
6@20 6
20
mÆt c¾t ngang
DÇm P2
DÇm P1 DÇm P5
DÇm P6
DÇm P7
DÇm P4
Hình 4 – Kích thước hình học và bố trí thí nghiệm trên các nhóm dầm 
4. Kết quả và thảo luận 
4.1. Thí nghiệm uốn 4 điểm (nhóm A) 
Kết quả thí nghiệm uốn 4 điểm được trình bày 
trên hình 5 và 6, dầm đối chứng (P1) không có cốt 
đai bị phá hủy do lực cắt tại giá trị 80kN, tương 
ứng với giá trị mô men tại điểm giữa dầm là 25,5 
kN.m. Trong khi đó dầm P2 và P3 bị phá hủy do 
mô men uốn, tại giá trị lực xấp xỉ 140kN, tương 
ứng với giá trị mô men tại điểm giữa dầm là xấp 
xỉ 42 kN.m. Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng dầm 
có cốt đai và dầm được gia cường chống cắt bằng 
thanh composite chịu được lực cắt lớn hơn 70% so 
với dầm không có cốt đai. Tuy nhiên, do cả hai 
dầm P2 và P3 đều bị phá hủy bởi mô men uốn tại 
điểm giữa dầm nên kết quả ở trên chưa cho phép 
chúng ta so sánh khả năng chịu lực cắt của dầm 
gia cường bằng vật liệu composite so với dầm có 
cốt đai. 
Hình 5 – Sự phá hoại do lực cắt - thí nghiệm uốn 4 điểm trên dầm P1 
 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 42 (9/2013) 68 
Hình 6 - So sánh đường cong Mô men – chuyển 
vị tại điểm giữa dầm trong nhóm A 
Khi gia tải đến giá trị ứng suất cắt chính đạt đến 
cường độ chịu cắt của bê tông, thì các vết nứt bắt 
đầu xuất hiện. Kết quả thí nghiệm cho thấy, các vết 
nứt xuất hiện trên đoạn dầm chịu lực cắt có thể phân 
làm 3 đoạn tương tự như nghiên cứu trước đây của 
Casanova 5. 
Đối với thí nghiệm uốn 4 điểm, tỷ lệ at/d (phần 
chịu lực cắt/chiều cao dầm) lớn hơn 2.5, 
- Trong vùng gần gối tựa (A), không xuất hiện 
các vết nứt 
- Trong vùng B, mô men yếu, những vết nứt 
nghiêng góc 20-30°, do lực cắt 
Hình 7 - Các vùng vết nứt xuất hiện trên đoạn 
đầu dầm [Casanova, 1995] 
- Trong vùng C, các vết nứt phát triển, nghiêng 
từ 40-70°. 
- Trong vùng D, vết nứt do mô men, 
Tác giả nhận thấy rằng dầm được gia cường 
bằng thanh composite cho phép hạn chế đáng kể sự 
xuất hiện vết nứt trong vùng chịu lực cắt so với dầm 
chỉ có cốt đai (hình 8 và 9). Điều này có ý nghĩa 
quan trọng trong thực tế, khi các dầm BTCT chịu tải 
trong tác dụng, các vết nứt xuất hiện làm đẩy nhanh 
hiện tượng ăn mòn cốt thép trong dầm bê tông, việc 
gia cường bằng thanh vật liệu composite sẽ góp 
phần hạn chế các vết nứt. 
Hình 8 - Vết nứt trong vùng chịu cắt trên hai dầm P2 và P3 
4.2. Dầm chịu uốn 3 điểm 
4.2.1. Uốn 3 điểm trên dầm gia cường bởi 3 
thanh composites 
Kết quả thí nghiệm uốn 3 điểm trên các dầm 
thuộc nhóm B được trình bày trên hình 9, dầm đối 
chứng có cốt đai (P4) bị phá hủy do lực cắt tại giá trị 
lực 95,5 kN, tương ứng với giá trị mô men uốn tại 
điểm giữa dầm là 21,4 kN.m. Trong khi đó dầm 
được gia cường chống lực cắt bởi 3 thanh composite 
P5 & P6 chưa bị phá hủy bởi lực cắt, mà chúng bị 
phá hủy do mô men uốn, tại giá trị lực xấp xỉ 136 
kN, tương ứng với giá trị mô men tại điểm giữa dầm 
là xấp xỉ 36 kN.m. Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng 
dầm được gia cường chống cắt bằng thanh 
Hình 9 - So sánh đường cong Mô men – chuyển vị 
tại điểm giữa dầm trong nhóm B 
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 42 (9/2013) 69 
composite chịu được lực cắt lớn hơn đáng kể so với 
dầm không cốt đai. Tuy nhiên kết quả thí nghiệm 
nhận được chưa cho phép xác định được khả năng 
chống cắt lớn nhất của dầm gia cường bằng vật liệu 
composite, do chúng bị phá hủy bởi mô men uốn tại 
giữa dầm. 
Hình 10 – Vết nứt xuất hiện trong vùng chịu lực cắt lớn trên các dầm P4 và P5 
Về mặt vết nứt, chúng ta có thể nhận thấy rằng 
dầm được gia cường bằng thanh composite cho phép 
hạn chế đáng kể sự xuất hiện vết nứt trong vùng chịu 
lực cắt so với dầm chỉ có cốt đai (hình 10) 
4.2.2. Uốn 3 điểm trên dầm gia cường bởi 1 
thanh composite 
Thí nghiêm uốn 3 điểm trên dầm được gia cường 
bởi 1 thanh composite được thể hiện như trên hình 
11, Các vết nứt bắt đầu xuất hiện trong vùng chịu 
mô men và lực cắt ở mức gia tải 20 kN, lúc này giá 
trị ứng suất cắt chính đã vượt qua cường độ chịu cắt 
của bê tông. Những vết nứt này tiếp tục phát triển và 
hợp nhất lại thành 1 vết nứt lớn hơn, nghiêng một 
góc khoảng 45 so trục dọc dầm, khi đến mức tải 
trọng 135 kN thì kết cấu gia cường bị bong bật, đồng 
thời dầm bị phá hủy. 
Hình 11 – Thí nghiệm uốn 3 điểm trên dầm P7 
So sánh khả năng chịu lực cắt của dầm đối chứng 
có cốt đai (P4) và dầm được gia cường bằng 1 thanh 
composite (P7), có thể thấy rằng cả hai đều bị phá 
hủy do lực cắt, tuy nhiên đối với dầm được gia 
cường bằng vật liệu composite, thì khả năng chịu lực 
tăng lên khoảng 1,5 lần so với dầm chỉ có cốt đai. 
Kết quả được trình bày trên hình 12: 
Hình 12 – So sánh đường cong mô men – chuyển 
vị trên dầm P4 và P7 
5. Kết luận 
Kết quả thí nghiệm cho thấy: 
Dưới tác dụng của tải trọng khai thác, trên dầm 
bê tông cốt thép xuất hiện các vết nứt ở trên vùng 
chịu uốn và chịu lực cắt lớn. Khi tải trọng đủ lớn các 
vết nứt ngày càng phát triển mở rộng, đặc biệt trên 
vùng chịu lực cắt lớn có xuất hiện một vết nứt chính 
nghiêng một góc 45o so với trục dọc dầm, làm tăng 
khả năng đứt cốt thép đai và làm dầm bị phá hoại. 
Trong trường hợp này, gia cường bằng các thanh 
composite cốt sợi các-bon theo phương pháp NSM 
mang lại hiệu quả cao. 
Đối với thí nghiệm uốn 4 điểm, trong khi dầm 
đối chứng P1 (không có cốt đai) bị phá hủy dễ dàng 
do lực cắt thì dầm có cốt đai và dầm được gia cường 
bằng thanh composite không bị phá hoại do lực cắt, 
chỉ bị phá hủy do mô men uốn giữa dầm tại giá trị 
mô men tăng hơn 70% so với dầm đối chứng P1. Thí 
nghiệm uốn 4 điểm tuy chưa đánh giá được khả 
 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 42 (9/2013) 70 
năng chịu lực cắt của dầm được gia cường bằng vật 
liệu composite so với dầm đối chứng có cốt đai (P2), 
tuy nhiên kết quả đã cho thấy hiệu quả của phương 
pháp gia cường NSM, khi các thanh composite được 
đặt tại phần lớp bảo về của bê tông đã làm việc như 
cốt đai, tăng cường lực cắt. Hơn nữa về sự xuất hiện 
vết nứt, dầm sử dụng vật liệu composite giảm đáng 
kể sự xuất hiện vết nứt cũng như bề rộng vết nứt so 
với dầm đối chứng có và không có cốt đai. Đối với 
thí nghiệm uốn 3 điểm, trong khi dầm được gia 
cường bằng 3 thanh composite chưa bị phá hoại do 
lực cắt, thì dầm gia cường chống cắt bằng 1 thanh 
composite mang lại khả năng chịu lực cắt tăng lên 
khoảng 1,5 lần so với dầm đối chứng có cốt đai. 
Phá hoại trên dầm gia cường bằng 1 thanh 
composite là do sự bong bật của lớp vật liệu dính kết, 
điều này một lần nữa khẳng định tính cường độ cao 
của vật liệu composite cốt sợi các-bon và hiệu quả 
của phương pháp phụ thuộc nhiều vào sự làm việc 
của lớp dính kết và biện pháp cải thiện ma sát giữa 
thanh composite và bê tông trong phương pháp NSM. 
Các kết quả trên cùng với việc vật liệu composite 
gia cường được bao bọc trong lớp vật liệu kết dính 
làm giảm thiểu khả năng bị lão hóa do sự tác động 
của môi trường, cho thấy hiệu quả của việc gia cường 
bằng vật liệu composite theo phương pháp NSM 
nhằm cải thiện và nâng cao khả năng chịu lực cắt cho 
kết cấu bê tông cốt thép tại vùng chịu lực cắt lớn. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. H.S. Đính, Nghiên cứu các công nghệ mới sửa chữa những hư hỏng của kết cấu BTCT trong công trình 
cảng, Hội nghị khoa học Công nghệ GTVT, Viện Khoa học và Công nghệ GTVT, 2011. 
2. N.T. Dũng, N.V. Mợi, H.P. Hoa, Nghiên cứu giải pháp gia cường dầm bê tông cốt thép bằng tấm vật 
liệu composite sợi carbon (Phần 1), Tạp chí khoa học và Công nghệ, Đại học Đà nẵng, Số 3(44), 2011. 
3. N.C. Thanh, Nghiên cứu thực nghiệm sức chịu tải của dầm bê tông cốt thép được gia cường bằng tấm 
composite, Tạp chí Người xây dựng, số 238, 2011. 
4. N.Q. Tường, Sửa chữa và gia cố công trình bê tông cốt thép bằng phương pháp dán nhờ sử dụng vật 
liệu FRP, Tạp chí Phát triển KH&CN, Số 10, 2007. 
5. Casanova P., PhD Thesis, Béton renforcé de fibres métalliques : du matériau à la structure, 
étudeexpérimentale et analyse du comportement de poutres soumises à la flexion et à l’effort tranchant, 
Ecole Nationale des Ponts et Chaussées - France, 1995. 
6. Firas AL Mahmoud., PhD Thesis, Technologie de renforcement des poutres en béton armé par 
l’insertion de joncs de carbone, INSA Toulouse – France, 2007 
7. M. A. A. Saafan., Shear Strengthening of Reinforced Concrete Beams Using GFRP Wraps, Acta 
Polytechnica Vol. 46 No. 1/2006 
8. Triantafillou T.C., Shear strengthening of reinforced concrete beams using epoxy bonded FRP 
composite, ACI Structural Journal, March-April 1998, pp 107-115. 
9. WU Z.Y., PhD Thesis,, Etude expérimentale du comportement des poutres courtes en béton armé pré 
fissurées et renforcées par matériaux composites sous chargement statique et de fatigue. Ecole Nationale 
des Ponts et Chaussées - France, 2004. 
10. NFP – 18 406, Norme Française NFP 18-406, " beton essai de compression“, AFNOR, Paris 1981 
Summary 
SHEAR STRENGTHENING CONCRETE BEAMS USING CFRP REBARS 
This paper presents test results of reinforced concrete beams strengthened in flexure using carbon-FRP 
(CFRP) rebars as NSM (near surface mounted) method that consists of placing CFRP rebars into grooves 
pre-cut in the concrete cover at the tension region of the beams. The structural performance and modes of 
failure of the tested beams are presented and discussed. Test results indicated that using NSMFRP rebar 
significantly improves the shear strength and considerably reduces the appearance of fissures of reinforced 
concrete beams. 
Keywords: Shear strengthening, near surface mounted, CFRP, strengthening reinforcement concrete beams. 
Người phản biện: TS. Vũ Hoàng Hưng BBT nhận bài: 20/8/2013 
Phản biện xong: 26/8/2013