Hệ thống polymer gia cường bằng sợi carbon (CFRP) được sử dụng rộng rãi để tăng cường kết cấu bê tông, thép và gạch đá. Tuy nhiên, nhựa epoxy liên kết các sợi carbon mất đi độ bền cơ học đáng kể ở nhiệt độ trên nhiệt độ chuyển thủy tinh (Tg), thường nằm trong khoảng 65°C đến 120°C (150°F–250°F). Khi hỏa hoạn, CFRP không được bảo vệ sẽ xuống cấp nhanh chóng, làm suy yếu hệ thống tăng cường. Bài viết này xem xét các chiến lược bảo vệ cháy dựa trên các hướng dẫn được quốc tế công nhận như ACI 440.2R và fib Bulletin 14, tập trung vào thiết kế hệ thống cách nhiệt và lựa chọn vật liệu.
Hiệu suất chịu lửa của CFRP
CFRP bao gồm các sợi carbon nhúng trong ma trận polymer, thường là epoxy. Trong khi bản thân sợi carbon có thể chịu nhiệt độ trên 1000°C, ma trận epoxy bắt đầu mềm tại Tg, dẫn đến mất khả năng truyền tải giữa các sợi. Ở khoảng 300°C (572°F), epoxy bùng cháy và cháy. Khả năng chịu lửa của cấu kiện được tăng cường CFRP được xác định bằng thời gian hệ thống duy trì khả năng chịu tải dưới tác động của lửa tiêu chuẩn (ví dụ: ASTM E119 hoặc ISO 834). Nếu không có bảo vệ, thời gian này thường dưới 30 phút. Các tiêu chuẩn thiết kế thường yêu cầu cấp chịu lửa (FRR) từ 1 đến 4 giờ tùy theo công năng sử dụng.
Mục tiêu thiết kế bảo vệ cháy
Mục tiêu thiết kế chính là giữ nhiệt độ đường liên kết CFRP-nền dưới Tg trong suốt thời gian chịu lửa yêu cầu. Mục tiêu thứ yếu là hạn chế truyền nhiệt vào nền bên dưới để ngăn mất lớp bê tông bảo vệ hoặc khả năng chịu lực của tiết diện thép. Trong gia cường chịu uốn, mặt chịu kéo thường dễ bị tổn thương nhất vì CFRP nằm gần bề mặt bị nung nóng. Đối với bọc cột, cần xem xét sự gia nhiệt đồng đều. Quy trình thiết kế theo ACI 440.2R yêu cầu tính toán chiều dày cách nhiệt cần thiết bằng phân tích truyền nhiệt tạm thời, có xét đến đường cong lửa, tính chất nhiệt của lớp cách nhiệt và quán tính nhiệt của nền.
Vật liệu bảo vệ cháy phổ biến
Một số hệ thống cách nhiệt chịu lửa thương mại có thể sử dụng trên CFRP:
- Vữa phun gốc vermiculite: Hỗn hợp xi măng nhẹ, thi công bằng bay hoặc phun. Bám dính tốt với CFRP và có thể tăng dần đến chiều dày yêu cầu. Độ dẫn nhiệt trung bình (k ~0,1–0,2 W/m·K).
- Sơn nở nhiệt: Vật liệu dạng sơn nở ra khi gặp nhiệt, tạo lớp than cách nhiệt. Lớp mỏng (1–5 mm màng khô) và thẩm mỹ nhưng có thể yêu cầu nhiều lớp và chuẩn bị bề mặt kỹ. Không phải loại nào cũng tương thích với epoxy; cần thử nghiệm tương thích.
- Tấm bông khoáng: Tấm cứng hoặc bán cứng (bông đá hoặc xỉ) có độ dẫn nhiệt thấp (k ~0,04 W/m·K). Được gắn cơ học hoặc dán lên CFRP. Thường cần lớp bảo vệ (ví dụ: vữa trát) để chống va đập và tăng thẩm mỹ.
- Tấm canxi silicat: Tấm không cháy, ổn định kích thước, dẫn nhiệt thấp. Được gắn bằng neo cơ học và có thể hoàn thiện bằng vữa trát. Độ bền cao nhưng có thể tăng tĩnh tải.
Việc lựa chọn phụ thuộc vào cấp chịu lửa, loại nền, môi trường (trong nhà/ngoài trời) và dễ thi công trên CFRP hiện có.
Lưu ý thiết kế hệ thống cách nhiệt
Phân tích nhiệt được sử dụng để xác định chiều dày cách nhiệt. Phương trình dẫn nhiệt một chiều có thể giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn hoặc giải tích theo các tiêu chuẩn như EN 1992-1-2 hoặc ACI 216.1. Thông số chính bao gồm đường cong lửa (ví dụ: lửa cellulosic tiêu chuẩn hoặc hydrocarbon), tính chất nhiệt của nền (bê tông, gạch đá, thép), và Tg cùng giới hạn nhiệt độ đường liên kết (thường 60°C hoặc 70°C). Neo giữ lớp cách nhiệt phải tính đến các hiệu ứng động như bong tróc bê tông hoặc giãn nở nhiệt của nền. Ở vùng động đất, lớp cách nhiệt phải duy trì bám dính trong chuyển động chu kỳ. Có thể cần màng chống hơi để ngăn tích tụ ẩm phía sau lớp cách nhiệt, ảnh hưởng đến liên kết và gây ăn mòn nền thép.
Thi công và đảm bảo chất lượng
Hệ thống bảo vệ cháy được thi công sau khi lắp đặt CFRP và epoxy đã đủ thời gian đóng rắn (thường 7–14 ngày ở 23°C). Chuẩn bị bề mặt bao gồm làm sạch và tạo nhám để đảm bảo bám dính. Với hệ phun, thực hiện nhiều lớp để đạt chiều dày yêu cầu với tối thiểu lỗ rỗng. Hệ tấm yêu cầu gắn cơ học hoặc keo dán, bố trí mạch so le để giảm thất thoát nhiệt. Đảm bảo chất lượng bao gồm kiểm tra chiều dày, thử kéo bám dính (với vữa phun xi măng) và chụp ảnh nhiệt để phát hiện khe hở. Thử nghiệm chịu lửa trên mẫu mô phỏng (theo ASTM E119) được khuyến nghị cho các ứng dụng quan trọng.
Trường hợp đặc biệt và tuân thủ tiêu chuẩn
Trong một số tình huống cải tạo, cấu kiện hiện hữu có thể thiếu lớp bê tông bảo vệ hoặc chống cháy thép. Việc thêm CFRP và bảo vệ cháy có thể bù đắp các thiếu hụt này chỉ khi lớp bảo vệ kéo dài trên toàn bộ vùng bị đốt nóng. Với cột, yêu cầu bảo vệ toàn bộ 360° nếu bọc CFRP liên tục. Với dầm, lớp bảo vệ phải che mặt chịu kéo và kéo dài lên hai bên với khoảng cách xác định theo yêu cầu truyền lực cắt. Các mô hình tiêu chuẩn hiện hành (IBC/IRC) thường chấp nhận thiết kế kỹ thuật theo ACI 440.2R hoặc tương tự với các tổ hợp chịu lửa cụ thể. Luôn kiểm tra các sửa đổi của quy chuẩn xây dựng địa phương.
Kết luận
Bảo vệ cháy hiệu quả cho kết cấu tăng cường CFRP là khả thi với lựa chọn vật liệu phù hợp, thiết kế nhiệt và thi công chất lượng. Bằng cách giữ CFRP dưới nhiệt độ chuyển thủy tinh trong suốt thời gian chịu lửa yêu cầu, hệ thống tăng cường duy trì khả năng chịu lực, đảm bảo an toàn tính mạng và tính toàn vẹn kết cấu. Các tiến bộ trong sơn nở nhiệt và lớp phủ xi măng tiếp tục mở rộng các lựa chọn thiết kế cho kỹ sư tìm kiếm giải pháp bảo vệ mỏng, nhẹ và bền.