Nghiên Cứu So Sánh Độ Bền của Thép và Nhựa Gia Cường Sợi Thủy Tinh (FRP)

Nghiên Cứu So Sánh Độ Bền của Thép và Nhựa Gia Cường Sợi Thủy Tinh (Composite FRP)

(Nghiên cứu được công bố trên Atlantis Press tại Hội nghị quốc tế về thiết kế hiện đại và kỹ thuật sản xuất lần thứ 5)


Tóm tắt: Nhằm đánh giá khả năng sử dụng nhựa gia cường sợi thủy tinh, nhựa cốt sợi thủy tinh Composite FRP (Fiberglass reinfored Plastic) trong các công trình kiến trúc, chúng tôi tiến hành thử nghiệm độ bền nén và độ bền kéo của nhiều mẫu thử FRP. Dữ liệu thử nghiệm được phân tích thống kê để xác định các thông số như độ bền nén, độ giãn dài, mô đun đàn hồi và đồ thị ứng suất-biến dạng (stress-strain curve). Từ thử nghiệm thực tế, chúng tôi kết luận rằng giới hạn bền kéo của Composite và thép là tương đương nhau, bên cạnh đó FRP có ưu thế là vật liệu nhẹ, rẻ hơn và thêm nhiều lợi ích khác (chống ăn mòn, chi phí bảo dưỡng thấp,...). Composite FRP là vật liệu thay thế tiềm năng cho thép lá truyền thống.

I. Chuẩn Bị

1. Thiết Kế

Nghiên cứu này chủ yếu thử nghiệm độ bền kéo đơn trục và độ nén dọc của vật liệu Composite FRP (tiếng Anh là fibre-reinforced plastic) tại nhiệt độ thường và cao. Qua thống kê dữ liệu, ta sẽ thu được các thông số như độ bền, mô đun đàn hồi và đồ thị ‘ứng suất-biến dạng’ (stress-strain), từ đó so sánh vật liệu Composite FRP và thép.

Bảng 1. Chi tiết thử nghiệm

2. Mẫu thử

Hình 1 cho thấy mẫu thử ở phần test lực kéo, với R=75mm.

Hình 2 là mẫu ở phần test nén. Với độ dày mẫu nhỏ hơn 10mm thì hệ số độ mảnh (slenderness ratio) bằng 10. Nếu bị kéo đứt trong lúc test thì hệ số độ mảnh bằng 6. Khi mô đun nén được xác định thì hệ số bằng 15 hoặc theo độ biến dạng mẫu. Số lượng mẫu không nhỏ hơn 5.

Hình 1. Kích thước mẫu thử nghiệm kéo (hình ngoài cùng bên trái) | Hình 2. Mẫu thử nghiệm nén (nén đứng)

3. Dụng cụ và qui trình thử nghiệm

Hình 3. Máy test đa dụng Hình 4. Hộp nhiệt

1. Test và tính toán độ dày, độ rộng của mẫu

2. Test ở nhiệt độ cao bằng cách cho mẫu vào hộp nhiệt (hình 4)

3. Đặt mẫu vào máy test đa dụng, canh sao cho mẫu ngay giữa và khớp với kẹp trên, dưới của máy.

4. Lắp thiết bị đo độ biến dạng lên mẫu (phần R=75mm), cho một lực tác động ban đầu (khoảng 5% tải trọng phá hỏng), kiểm tra, điều chỉnh mẫu và thiết bị.

5. Tốc độ nạp tải (loading) là 2mm/phút khi test mô đun kéo, độ giãn dài kéo, mô đun đàn hồi cát tuyến và đồ thì ứng suất-biến dạng; tốc độ là 5mm/phút khi test độ bền kéo.

6. Dùng nạp tải phân cấp khi test mô đun đàn hồi kéo, từ 5%-10% tải trọng phá hỏng (crippling load)

7. Dùng nạp tải liên tiếp khi test độ bền kéo nén, ghi chú lại tải trọng phá hỏng và dạng hỏng của mẫu

II. Phân tích kết quả thử nghiệm độ bền kéo

1. Độ bền kéo đơn trục của vật liệu composite FRP tại nhiệt độ thường

Với tổng cộng 50 nhóm mẫu, 10 nhóm được thử mỗi lần ở nhiệt độ thường (hình 5), dữ liêu sẽ được phân tích và tính toán cho kết quả như sau:

Hình 5. Mẫu bị kéo đứt

(1)Hình 6 cho thấy mẫu thử Composite dưới tác dụng của lực kéo liên tục thì ứng suất và độ biến dạng quan hệ tuyến tính với nhau, ở biến dạng 0.0065 thì độ nghiêng hơi thấp

Hình 6. Đồ thị ứng suất-biến dạng ở nhiệt độ thường

(2) Ở bảng 2 và 3, độ bền kéo của FRP là khoảng 239 MPa, độ giãn dài giới hạn là 5.776%, mô đun đàn hồi là 6246 MPa.

Bảng 2. Thử nghiệm kéo ở nhiệt độ thường và kết quả 1

Bảng 3. Thử nghiệm kéo ở nhiệt độ thường và kết quả 2

(3)Trong một phạm vi độ dày nhất định thì độ dày mẫu nhựa Composite tuyến tính với tải trọng phá hỏng (crippling load) và độ giãn dài (hình 7, 8). Mẫu càng dày thì thông số tải trọng phá hỏng và độ giãn dài càng giảm.

Hình 7, 8. Trái: độ dày mẫu và tải trọng phá hỏng. Phải: Độ dày và độ giãn dài

2. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ bền kéo vật liệu Composite FRP

(1)Từ hình 9 có thể thấy đường ứng suất-biến dạng (stress-strain) của FRP ít bị tác động bởi nhiệt độ, và độ dốc của đường ít thay đổi khi nhiệt độ tăng.

(2)Hình 10 và 11 cho thấy độ bền kéo của mẫu Composite tăng trong quãng từ nhiệt độ thường đến 100 độ C, và giảm trong quãng từ 200 đến 250 độ C.

(3)Hình 12 cho thấy ảnh hưởng của nhiệt độ đối với mô đun kéo của FRP là rất thấp

Hình 9, 10. Đồ thị ứng suất-biến dạng ở các nhiệt độ khác nhau. Ứng suất giới hạn (gãy) ở các nhiệt độ khác nhau.

Hình 11, 12. Thay đổi của Độ giãn dài ở các nhiệt độ khác nhau. Thay đổi của Mô đun đàn hồi kéo tại các nhiệt độ khác nhau.

III. Phân tích kết quả thử nghiệm độ bền nén

1. Ở nhiệt độ thường

Bảng 4-1. Dữ liệu thử nghiệm nén 1

Bảng 4-2. Dữ liệu thử nghiệm nén 2

Bảng 5. Kết quả thử nghiệm nén

Từ bảng 5 ta thấy chỉ có mẫu 2 là khác biệt, nên ta lấy dữ liệu từ mẫu 1,3,4,5 để tính giá trị trung bình (bảng 6). Từ bảng 6 có thể thấy mô đun nén của Composite khá thấp.

Bảng 6. Thông số thử nghiệm nén

2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với tính chất cơ lý của Composite FRP

Từ hình 13 có thể thấy, khi dưới 100 độ C, nhiệt độ tăng thì độ bền nén tăng nhẹ. Trên 100 độ C, thì nhiệt độ càng tăng độ bền nén càng giảm.

Từ hình 14 ta có thể thấy sự tăng nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến mô đun đàn hồi. Mô đun nén giảm khi nhiệt độ tăng.

Hình 13. Biến thiên độ bền nén tại các nhiệt độ khác nhau

IV. So sánh thép Q235 và Composite FRP (nhựa cốt sợi thủy tinh)

1. So sánh độ bền và mô đun đàn hồi

Từ bảng này ta có thể thấy ứng suất chịu kéo (tensile stress) và ứng suất chịu nén (compressive stress) của FRP là rất gần với thép Q235 nhưng biến dạng nhiều hơn, vì thế, xét về độ bền kéo, Composite tốt hơn thép, nhưng đồng thời biến dạng nhiều hơn. Tuy nhiên FRP có khả năng chống ăn mòn tốt, là vật liệu nhẹ và giá thành rẻ hơn, nên vật liệu Composite có khả năng thay thế thép trong sản xuất một số vật dụng, bộ phận nhất định (tấm lợp lấy sáng, tôn nhựa lấy sáng, tấm lợp kháng hóa chất ăn mòn...) hoặc trong các trường hợp yêu cầu độ bền kéo cao.

2. So sánh sự ảnh hưởng của nhiệt độ lên tính chất vật liệu

Giới hạn bền kéo hay độ bền kéo của FRP tăng khi nhiệt độ tăng từ mức thường lên 200 độ C, nhưng giảm khi nhiệt độ từ 200 đến 250 độ C, ngoài ra độ giãn dài tải trọng (load elongation) tối đa và độ giãn dài khi đứt (breaking elongation) tối đã của Composite tăng khi nhiệt độ tăng từ mức thường lên 200 độ C, nhưng giảm khi nhiệt độ từ 200 đến 250 độ C. Độ bền uốn (bending strength) và độ bền nén (compressive strength) giảm khi nhiệt độ tăng từ mức thường lên 250 độ C. Thời điểm thép nóng hơn 200 độ C, nhiệt độ tăng thì độ bền kéo, điểm chảy (yield point) và mô đun đàn hồi (elastic modulus) của thép đều thay đổi với xu hướng chung là độ bền giảm, độ mềm dẻo (plasticity) tăng. Khi nhiệt độ ở mức khoảng 250 độ C, độ bền kéo của thép tăng nhẹ, nhưng độ mềm dẻo của thép giảm.

V. Kết luận

Từ thử nghiệm thực tế, chúng tôi kết luận rằng giới hạn bền kéo của FRP và thép là tương đương nhau, bên cạnh đó Composite có ưu thế là vật liệu nhẹ, rẻ và nhiều lợi ích khác. FRP là vật liệu thay thế tiềm năng cho thép lá truyền thống.

Lưu Hoàng Giang (Theo Atlantis-Press)