Gia cường liên kết cho vật liệu composite: Kéo dài tuổi thọ cho công trình

Dù chưa phổ biến tại Việt Nam do có giá thành tương đối cao, song vật liệu nhựa gia cố sợi (Fiber-reinforced polymer - FRP) thực tế là một loại vật liệu tổng hợp thông minh đã được sử dụng rất nhiều trên thế giới trong các công trình như cầu đi bộ hay các cơ sở hạ tầng khác. “Đây là vật liệu có nhiều đặc tính ưu việt như khả năng chịu lực cao, có trọng lượng nhẹ, không bị ăn mòn như thép, do đó có thể được sử dụng để kéo dài tuổi thọ cho các kết cấu công trình cũ cũng như xây dựng các công trình mới”, TS. Phan Viết Nhựt cho biết.

Nhờ những ưu điểm nổi trội cùng với công nghệ sản xuất đại trà pultrusion (công nghệ đúc) trong những năm gần đây, loại vật liệu này nói riêng và nhựa gia cố sợi thủy tinh (Glass Fiber-reinforced polymer - GFRP) nói chung đã giảm được giá thành và ngày càng được sử dụng rộng rãi hơn trong các công trình như cầu đi bộ, cống thoát lũ, hoặc các công trình tạm thời đòi hỏi phải lắp ráp rất nhanh (như công trình trong các vụ động đất; tai nạn sập cầu,...). Thêm vào đó, “do không bị ăn mòn nên các công trình sử dụng chúng cũng cần ít chi phí bảo dưỡng hơn”, TS. Nhựt nói thêm về ưu điểm của vật liệu.

Tuy nhiên, vật liệu composite đúc sẵn này lại có một nhược điểm “chí mạng” bắt nguồn từ sự khác nhau trong cấu tạo và tính chất của lớp bên trong và bên ngoài vật liệu. Cụ thể, do phương pháp đúc vật liệu thường đặt nhiều sợi gia cường (sợi đảm bảo cường độ và độ cứng của vật liệu) theo hướng đúc (dọc theo trục dọc của cấu kiện), thế nên cường độ chịu cắt của lớp vật liệu bên trong rất kém và dễ hình thành các phá hoại cắt đứt theo trục dọc của cấu kiện xung quanh các bu lông, mối nối liên kết các vật liệu. “Các đặc tính phá hủy của vật liệu composite đúc sẵn cũng khá khác so với thép hoặc các vật liệu đẳng hướng tương tự. Trong khi vật liệu đẳng hướng sẽ bị phá hủy dần dần, thì ngược lại, vật liệu composite lại giòn, có thể hỏng đột ngột và theo nhiều dạng khác nhau, ví dụ như tách lớp, hỏng do cắt, oằn vi sợi,... “, nhóm nghiên cứu cho biết thêm. Do sự phức tạp của các cơ chế phá hủy của vật liệu như vậy, “việc nghiên cứu sâu hơn về các mối nối giữa các tấm vật liệu composite là một khoảng trống đòi hỏi phải có thêm nhiều nỗ lực nghiên cứu để đưa ra các hướng dẫn thiết kế và quy tắc thực hành phù hợp hơn”, nhóm nghiên cứu chia sẻ về lý do họ quyết định bắt tay vào thực hiện đề tài này.

Thực tế, trên thế giới cũng đã có một số nghiên cứu nhằm gia cường khả năng chịu lực cho các mối nối. Tuy nhiên, theo TS. Nhựt, đa số các nghiên cứu này tập trung vào việc cải tạo đặc tính bên trong của vật liệu, chẳng hạn như thay đổi hướng của các sợi thủy tinh quanh vị trí của bu lông. Một số nghiên cứu khác lại cho thêm các chất phụ gia - các sợi thủy tinh có đường kính rất nhỏ - vào trong quá trình chế tạo để tăng cường được khả năng chịu cắt của liên kết bu lông. “Các phương pháp này đều có nhiều hạn chế. Chẳng hạn, nếu gia cường bằng phụ gia thì giá thành sản phẩm sẽ bị đội lên; trong khi đó nếu chèn thêm các long đền thép giữa thân bu lông và lỗ bu lông để tăng khả năng chịu tải như một số phương pháp khác thì lại gây bất tiện trong quá trình thi công”, TS. Nhựt phân tích.

Đó là lý do trong bài báo mới “Pin-bearing connection strength of single-bolted pultruded glass fiber-reinforced polymer profiles strengthened by glass fiber sheet” trên tạp chí Polymer Composites, TS. Nhựt và các đồng nghiệp đã lựa chọn sử dụng chính tấm vật liệu nền là các sợi thủy tinh - vốn được dùng để đúc nên vật liệu composite - để gia tăng khả năng chịu lực cho công trình. Cụ thể, nhóm nghiên cứu đã dùng công nghệ hút chân không kết hợp với vật liệu epoxy để tạo ra các tấm sợi thủy tinh mỏng với chi phí rất rẻ - những tấm vật liệu mà sau đó sẽ được cắt nhỏ và dán trực tiếp vào vị trí của các mối nối để gia cường khả năng chịu tải cho toàn bộ công trình.

“Nghe rất đơn giản, nhưng thật sự là những gì chúng ta cần chỉ là dán một tấm vật liệu mỏng vào phần mối nối mà thôi. “Chúng tôi đã đi đến được ý tưởng này nhờ vào việc quan sát các ‘hành vi’ đứt gãy của mối nối thông qua các thí nghiệm trước đó và thu thập thông tin về các phương pháp đúc FRP khác nhau”, giáo sư Yukihiro Matsumoto - trưởng nhóm nghiên cứu chia sẻ trong thông cáo báo chí. "Tôi đã rất ngạc nhiên khi thấy việc xem xét cẩn thận hướng của sợi vật liệu đã đem lại những hiệu ứng tốt như vậy” ông nói thêm.

Để ra được kết quả này, TS. Nhựt và các đồng nghiệp đã phải trải qua một quá trình nghiên cứu dài hơi. Cái khó nằm ở chỗ: khác với kết cấu thép có cơ chế phá hủy xảy ra theo kiểu một cách từ từ và đồng đều trên tiết diện, vật liệu composite với cấu trúc các sợi theo nhiều hướng khác nhau lại có cơ chế phá hủy không đồng nhất, “không cái nào giống cái nào”, thế nên khi tính toán thử nghiệm sẽ thấy kết quả bị chênh lệch rất nhiều so với thực tế, TS. Nhựt cho biết. Thêm vào đó, dù trên thế giới cũng đã có một số tiêu chuẩn kỹ thuật cho vật liệu này, tuy nhiên “những tiêu chuẩn đó chủ yếu dựa vào các thông số thí nghiệm thôi chứ cũng không được hoàn chỉnh, nếu mình dựa vào các tiêu chuẩn này thì khi thí nghiệm vẫn có sai lệch ở mức độ khá lớn, từ 20-25%”.

Để vượt qua thách thức ấy, nhóm nghiên cứu đã phải xem xét rất kỹ các thông số để đi tìm nguyên nhân trong mỗi lần thất bại. “Các nguyên nhân có thể bắt nguồn trong quá trình tạo mẫu, trong quá trình hút chân không, rất nhiều nguyên nhân khác nhau”, TS. Nhựt nhớ lại. “Tôi nghĩ rằng kết quả đạt được là nhờ sự nhiệt thành của các thành viên nhóm nghiên cứu trong việc xác định được các biến thực nghiệm và phát triển kế hoạch thử nghiệm”, giáo sư Yukihiro Matsumoto nói. “Đúng như tên gọi, vật liệu nhựa gia cố sợi là loại vật liệu đòi hỏi người nghiên cứu phải biết cách sử dụng tốt các sợi ở bên trong đó”.

Theo đó, nhóm của TS. Nhựt không sử dụng một loại vật liệu gia cường theo một hướng mà sử dụng các vật liệu theo nhiều hướng 0 độ, 90 độ, cộng trừ 45 độ và một loại vật liệu đẳng hướng. “Tùy theo kết cấu khác nhau và phương chịu lực của kết cấu, mình có thể chế tạo ra nhiều loại vật liệu có nhiều hướng khác nhau, từ đó có thể tăng khả năng gia cường lên rất dễ dàng”, TS. Nhựt cho biết.

Và nhờ vào việc chỉ cần gia cố các khu vực cần thiết với một lượng nhỏ vật liệu, nhóm nghiên cứu đã chứng minh được rằng độ bền của các mối nối có thể tăng lên 2-3 lần với phương pháp này mà không làm giảm năng suất hoặc đặc tính trọng lượng nhẹ của loại vật liệu tổng hợp. Ngoài ra, dựa trên các kết quả thí nghiệm và các công thức thiết kế hiện có, nhóm nghiên cứu cũng đề xuất được công thức thiết kế với phương pháp gia cố mối nối mới và cung cấp thành công dữ liệu để có thể áp dụng trong thiết kế.

Hiện nay, nhóm của TS. Nhựt đã nghiên cứu được phương pháp mới với các mối nối liên kết đơn và một số liên kết nhiều bu lông. Sắp tới, “chúng tôi sẽ phát triển phương pháp lên cho các nghiên cứu về các mối nối dầm với dầm, hoặc cột với dầm”, TS. Nhựt nói. Theo đó, các kết quả nghiên cứu sẽ có thể góp phần tạo ra các thiết kế cấu trúc cầu hay công trình an toàn hơn, chắc chắn hơn, nhẹ hơn và có tuổi thọ dài hơn trong tương lai - điều đặc biệt quan trọng nếu xảy ra các thảm họa như động đất. TS. Nhựt cũng nhìn thấy một tiềm năng ứng dụng và nghiên cứu cho lĩnh vực này tại Việt Nam. “Vật liệu tổng hợp này tỏ ra khá hiệu quả khi lắp ráp cho các công trình khẩn cấp ở những vùng hay xảy ra lũ lụt, lở đất. Thêm vào đó, ở các vùng ven biển, nếu xây dựng các công trình sử dụng vật liệu này thì xét về chi phí bảo dưỡng ăn mòn, độ bền, thời gian sử dụng sẽ hiệu quả hơn nhiều so với một số vật liệu khác rẻ hơn, chẳng hạn như thép. Thế nên, đây sẽ có thể là một hướng đi trong nghiên cứu về vật liệu ở Việt Nam cho các công trình ven biển”, TS. Nhựt gợi ý.