Miếng dán sợi carbon: Gia cố tối thiểu xâm lấn cho cầu và tòa nhà

Trong đời sống hàng ngày, chúng ta sử dụng băng dán để điều trị các vết cắt và trầy xước nhẹ – đơn giản và tiện lợi. Tuy nhiên, hiện nay khi các cây cầu xuất hiện những vết nứt nhỏ trên dầm hay tường nhà các tòa nhà cũ dần bị lỏng lẻo theo thời gian, một vật liệu tưởng chừng nhẹ ký này đang nổi lên như 'lực lượng chủ lực' trong gia cố kết cấu. Công nghệ kỹ thuật cũng đã áp dụng một giải pháp tương tự như miếng dán y tế—vải sợi carbon—đang âm thầm gia cố cho những cây cầu và tòa nhà xung quanh chúng ta bằng các phương pháp xâm lấn tối thiểu.
Quy trình sản xuất vải định hướng một chiều

Vải sợi carbon định hướng một chiều là vật liệu thường dùng trong các dự án gia cố bằng sợi carbon. Quy trình sản xuất của nó chủ yếu bao gồm việc sắp xếp, cố định và tạo hình các sợi filament sợi carbon, với mục tiêu cốt lõi là đảm bảo các sợi được sắp thẳng hàng theo một hướng duy nhất (thường là hướng dọc) đồng thời duy trì các tính chất độ bền cao. Các bước cụ thể cơ bản như sau:

Bước Một: Chuẩn bị sợi filament sợi carbon
Các sợi tiền chất sợi carbon gốc PAN (dòng sản phẩm chủ đạo trên thị trường) được sản xuất từ các sợi polyacrylonitrile thông qua quá trình oxy hóa sơ bộ và cacbon hóa. Những sợi này có đường kính 5–7 micromet và thể hiện độ bền kéo cực cao.
Bước Hai: Quá trình cuốn dọc
Thông qua máy cuốn dọc, hàng nghìn đến hàng chục nghìn sợi carbon được sắp xếp song song theo chiều dọc và đồng đều thành các lớp dọc. Độ căng và độ chính xác về định hướng được kiểm soát nghiêm ngặt để đảm bảo tính chất một chiều và ngăn ngừa lệch ngang.
Bước Ba: Quá trình dệt / Cố định
Sử dụng các sợi ngang cực mảnh (như sợi thủy tinh hoặc nylon), các sợi dọc được cố định bằng cách dệt hoặc kết dính. Trong quá trình dệt, các sợi ngang được đan xen với các sợi dọc ở mật độ thấp (vài sợi trên một centimét), tạo thành cấu trúc "sợi dọc chặt, sợi ngang lỏng" nhằm tăng cường độ bền mà không làm giảm độ chắc chắn. Ngoài ra, có thể sử dụng nhũ tương nhựa epoxy để kết dính vật liệu thành vải không có sợi ngang, mặc dù phương pháp dệt vẫn là phổ biến hơn.
Bước Bốn: Xử lý bề mặt
Loại bỏ tạp chất, tăng độ nhám bề mặt hoặc phủ chất kết nối để cải thiện độ bám dính với keo và nâng cao khả năng tương thích với nhựa.
Bước Năm: Cố định và Cuộn lại
Sau khi sấy khô và cố định, sản phẩm trải qua kiểm tra chất lượng và đóng gói để trở thành sản phẩm hoàn chỉnh. Trong suốt quá trình này, trọng tâm là tối đa hóa độ bền cao của các sợi carbon dọc, trong khi các sợi ngang chỉ đảm nhiệm chức năng cố định phụ trợ.

Lõi của toàn bộ quá trình nằm ở việc đảm bảo sự căn chỉnh song song và độ bền kéo cao của các sợi carbon chạy dọc, trong khi các sợi ngang chỉ đóng vai trò cố định phụ trợ. Do đó, vải sợi carbon một chiều tận dụng tối đa tính chất chịu kéo của sợi carbon theo trục dọc của nó, làm cho vật liệu này rất phù hợp với các ứng dụng gia cố kết cấu nơi chịu tác động của ứng suất kéo.

Nguyên tắc Gia cố
Vải sợi carbon được dán lên bề mặt kết cấu bằng keo dán nhựa phù hợp, tạo thành vật liệu composite thân (CFRP) hoạt động đồng bộ với kết cấu ban đầu. Với độ bền kéo cực cao (khoảng gấp mười lần so với thép), vải sợi carbon được tích hợp chặt chẽ với bê tông thông qua keo dán nhựa. Điều này truyền tải các tải trọng bên ngoài sang vải sợi carbon, tận dụng tính chất độ bền cao của nó để tăng cường khả năng chịu uốn, lực cắt và động đất của kết cấu, đồng thời kìm hãm sự lan rộng của các vết nứt.

Quy trình thi công

Bước một: Chuẩn bị bề mặt
Làm sạch bề mặt bê tông, mài bỏ các lớp bong tróc và vết dầu mỡ để tạo ra bề mặt nền phẳng.
Bước hai: Sơn lớp lót epoxy
Phủ một lớp sơn lót lên bề mặt bê tông để đảm bảo vải bám dính chắc chắn.
Bước ba: Dán vải sợi carbon
Nhúng tấm vải sợi carbon đã cắt sẵn vào nhựa epoxy và áp dụng lên các khu vực kết cấu cần gia cố (như mặt dưới dầm, cột, bản sàn và bụng cầu).
Bước Bốn: Nén bằng con lăn và loại bỏ bọt khí
Ấn mạnh liên tục bằng con lăn để đảm bảo keo thấm đều vào các sợi và đẩy hết bọt khí ra ngoài, tương tự như việc ấn chặt một miếng băng dán y tế.
Bước Năm: Đóng rắn và bảo dưỡng
Sau khi keo đóng rắn, vải sợi carbon và bê tông sẽ liên kết chặt với nhau, tạo thành một lớp bên ngoài cực kỳ chắc chắn.

Đặc tính gia cố

Tăng cường khả năng chịu tải: Khi áp dụng vào mặt dưới dầm → cải thiện khả năng chống uốn; khi áp dụng vào cột → tăng cường độ chịu nén và hiệu suất chống động đất.

Kiểm soát vết nứt: Vải sợi carbon ngăn chặn sự phát triển thêm của các vết nứt trong bê tông, giống như miếng băng dán bảo vệ vết thương da khỏi tình trạng nặng thêm.

Tuổi thọ dịch vụ kéo dài: Chống ăn mòn, không giống như thép dễ bị gỉ, làm cho nó đặc biệt phù hợp với các môi trường như cầu, nơi tiếp xúc lâu dài.

Nhẹ và hiệu quả: Tốc độ thi công nhanh, không cần máy móc nặng và không gây thêm tải trọng cấu trúc đáng kể.

Tại sao vải sợi carbon đã trở thành lựa chọn mới cho gia cố?

So với các phương pháp gia cố truyền thống như gia cố bằng tấm thép hoặc mở rộng tiết diện, vải sợi carbon mang lại những ưu điểm nổi bật:

Tính chất nhẹ của nó gần như không tạo thêm tải trọng nào lên kết cấu ban đầu. Với khối lượng dưới 300 gram mỗi mét vuông, nó thay đổi phân bố tải trọng của công trình tối thiểu sau khi ứng dụng , làm cho nó đặc biệt phù hợp để gia cố các kết cấu nhạy cảm với trọng lượng bản thân, như các công trình cổ và cầu.

Khả năng chống ăn mòn của nó đảm bảo hiệu suất ổn định trong môi trường khắc nghiệt. Dù phải đối mặt với hiện tượng ăn mòn do muối biển trên các cây cầu ven biển hay điều kiện ẩm ướt ở các dầm và cột trong tầng hầm, vải sợi carbon vẫn duy trì hiệu suất ổn định với tuổi thọ sử dụng vượt quá 50 năm.

Việc lắp đặt hiệu quả giúp rút ngắn đáng kể tiến độ dự án. Không cần sử dụng máy móc nặng, chỉ thi công bằng tay, việc gia cố một tòa nhà diện tích một nghìn mét vuông thường chỉ mất khoảng 1–2 tuần, ngắn hơn nhiều so với các phương pháp truyền thống.