Bản chất của bê tông ứng lực trước

Có thể nói ý tưởng về bê tông ứng lực trước xuất hiện từ nhiều thế kỳ trước, khi người ta sử dụng các đai kim loại bó quanh các thanh gỗ để chế tạo thùng rượu.

• Khi đai đươc kéo chặt, các thanh gỗ bị ép chặt vào nhau; và tạo ra ứng suất nén trước giữa chúng.
• Ứng suất nén này sẽ làm triệt tiêu ứng suất kéo vòng tác dụng lên thành khi thùng chứa chất lỏng; vì vậy thành thùng rượu sẽ không bị nứt tách. Trước khi đưa vào sử dụng, cả đai kim loại và các thanh gỗ đều đã đươc ứng lực trước.
• Trong cấu kiện bê tông; ngươi ta đặt vào một lực nén trước tạo bởi việc kéo cốt thép rồi gắn chặt nó vào bê tông thông qua lực dính hoặc neo.

• Nhờ tính đàn hồi, cốt thép có xu hướng co lại tạo nên lực nén trước; và gây ra ứng suất nén trước trong bê tông. Ứng suất nén này sẽ làm triệt tiêu hay làm giảm ứng suất kéo do tải trọng gây ra; do vậy làm tăng khả năng chịu kéo của cấu kiện bê tông và làm hạn chế sự phát triển của vết nứt

• Ứng lực trước chính là việc tạo ra cho kết cấu một cách có chủ ý các ứng suất tạm thời nhằm tăng cường sự làm việc của vật liệu trong các điều kiện sử dụng khác nhau. Hay nói cách khác trước khi cấu kiện chịu tải trọng sử dụng, thì cốt thép đã bị căng trước còn bê tông bị nén trước.
• Trong cấu kiện bê tông cốt thép thường; những khe nứt đầu tiên ở bê tông xuất hiện khi ứng suất trong cốt thép chịu kéo mới chỉ đạt từ 200 đến 300 kG/cm2. Nếu dùng cốt thép cường độ cao, ứng suất trong cốt thép chịu kéo có thể đạt tới trị số 10000 đến 12000 kG/m2 hoặc lớn hơn; điều đó làm xuất hiện các khe nứt lớn vượt quá giới hạn cho phép.
• Trong bê tông ứng lực trước, do có thể khống chế sự xuất hiện khe nứt bằng lực căng trước nên cần thiết và có thể dùng cốt thép cường độ cao.
• Mặt khác để giảm được kích thước tiết diện và từ đó giảm trọng lượng bản thân của cấu kiện, đồng thời để tăng khả năng chịu ứng suất tập trung ở vùng neo cần phải sử dụng bê tông cường độ cao.
• Bê tông ứng lực trước đã trở thành 1 sự kết hợp lý tưởng giữa hai loại vật liệu hiện đại có cường độ cao.

So sánh bê tông ứng lực trước và bê tông cốt thép

Sự khác biệt lớn nhất giữa hai loại vật liệu trên chính là việc sử dụng vật liệu cường độ cao trong bê tông ứng lực trước. Sự xuất hiện của bê tông ứng lực trước với tính hơp lý, kinh tế va khả năng thích ứng cho các công trình đặc biệt; không có nghĩa là sự phủ nhận của bê tông cốt thép.

Vì mỗi loại vật liệu có những ưu, khuyết điểm và pham vi áp dụng riêng của nó; với sự thể hiện trong ba khía cạnh

• Độ an toàn
• Tính kinh tế
• Phạm vi áp dụng

Độ an toàn

Khi được thiết kế theo các tiêu chuẩn hiện hành, kết cấu bê tông ứng lực trước có khả năng chịu tải giới hạn tương đương. Thậm chí còn cao hơn một chút so với bê tông cốt thép.

Các thí nghiệm cho thấy dầm bê tông cốt thép có độ võng đáng kể trước khi bị phá hoại; như vậy sẽ cho người sử dụng những cảnh báo rõ rệt trước khi kết cấu bị phá hoại.

Khả năng chịu tải trọng động, tải trọng lặp giữa hai loại vật liệu là tương đương.

Do hạn chế được vết nứt và sử dụng bê tông chất lượng cao nên khả năng chống ăn mòn cả bê tông ứng lực trước là cao hơn bê tông cốt thép, nhưng một khi đã xuất hiện vết nứt thì quá trình ăn mòn cốt thép trong bê tông ứng lực trước sẽ diễn biến nhanh hơn.

Thép cường độ cao nhạy cảm với nhiệt độ lớn hơn so với cốt thép thường nên bê tông ứng lực trước có khả năng chịu lửa hạn chế hơn; tuy nhiên do cáp ứng lực trước thường được bố trí theo dạng cong nên tại một số vị trí trên cấu kiện; bê tông ứng lực trước có ưu thế hơn về lớp bê tông bảo vệ.

Do có cường độ vật liệu cao hơn, tiết diện thanh mảnh hơn. Kết cấu bê tông ứng lực trước đòi hỏi phải được chú ý nhiều hơn trong các khâu thiết kế; thi công và lắp dựng.

Tuổi thọ của kết cấu bê tông ứng lực trước không thua kém so với bê tông cốt thép.

Tính kinh tế

Để chịu được cùng 1 tải trọng; bê tông ứng lực trước sử dụng 1 khối lượng bê tông; và thép ít hơn do sử dụng được cấu kiện thanh mảnh; giảm trọng lượng bản thân nên bê tông ứng lực trước tiết kiệm được vật liệu cho các bộ phận kết cấu khác như; móng, cột,…với cấu kiện đúc sẵn điều đó làm giảm chi phí vận chuyển và lắp dựng.

Tuy nhiên vật liệu cường độ cao sẽ có giá thành đơn vị cao hơn; mặt khác bê tông ứng lực trước lại sử dụng nhiều thiết bị chuyên dụng như; neo, cáp, vữa,…việc gia công, chế tạo cốp pha phức tạp hơn.

Chi phí thiết kế, giám sát thi công; chi phí nhân công cho một đơn vị khối lượng công việc cũng cao hơn. Tùy thuộc vào kinh nghiệm, trình độ của nhà thầu mà khối lượng công việc phát sinh cũng có thể nhiều hơn

Nói chung bê tông ứng lực trước tỏ ra có hiệu quả kinh tế hơn cho kết cấu nhịp lớn; chịu tải trọng nặng, các cấu kiện điển hình được thi công hàng loạt ; và cấu kiện đúc sẵn hoặc kết cấu liên hợp.

Phạm vi áp dụng

Nhờ việc sử dụng vật liệu cường độ cao; bê tông ứng lực trước thích hợp với kết cấu nhịp lớn, chịu tải trọng nặng. Do có thể sử dụng tiết diện thanh mảnh nên kết cấu bê tông đáp ứng được các yêu cầu mỹ quan.

Bê tông ứng lực trước cũng phù hợp với cấu kiện đúc sẵn hơn do có trọng lượng nhỏ hơn.

Phân loại bê tông ứng lực trước

Có nhiều cách phân loại bê tông ứng lực trước ; tùy thuộc vào đặc điểm thiết kế và phương pháp thi công.

Phân loại theo thời điểm căng cốt thép tạo ứng lực trước

Theo thời điểm căng cốt thép tạo ứng lực trước người ta phân thành

• Phương pháp căng trước
• Phương pháp căng sau

Với phương pháp căng trước; hệ thống tạo ứng lực trước bao gồm hai khối neo đặt cách nhau một khoảng nào đó. Thép ứng lực trước được căng giữa hai khối neo này trước khi đổ bê tông; lực căng được tạo bởi các kích thủy lực. Sau khi bê tông đủ cường độ; các áp lực kích được thả ra, truyền ứng lực trước cho bê tông.

Với phương pháp căng sau, thép ứng lực trước được đặt sẵn trong cấu kiện khi bê tông đạt đủ cường độ thép được căng và neo vào đầu cuối của cấu kiện.

Phân loại theo vị trí bố trí cáp ứng lực trước

Theo vị trí bố trí cáp ứng lực trước người ta phân thành:

• Phương pháp căng trong
• Phương pháp căng ngoài

Phương pháp căng trong là cách căng trước thép nằm trong bê tông như đã đề cập ở trên.

Khi thép ứng lực trước nằm bên ngoài cấu kiện, ta có phương pháp căng ngoài.

Ngoài ra có thể tạo ứng lực trước bởi các tác nhân khác bên ngoài cấu kiện; ví như đối với các kết cấu siêu tĩnh như dầm liên tục, khung, vòm,…. bằng cách chuyển vị cưỡng bức gối tựa có thể tạo nên ứng suất trước nhằm điều chỉnh hợp lý sự phân bố nội lực trong kết cấu.

Phân loại theo mức độ hạn chế ứng suất kéo trong cấu kiện

Theo mức độ hạn chế ứng suất kéo trong cấu kiện trong giai đoạn sử dụng, ngưởi ta phân thành:

• Ứng lực toàn phần
• Ứng lực một phần

Ứng lực toàn phần nghĩa là cấu kiện được thiết kế sao cho không xuất hiện lực kéo khi chịu tải trọng sử dụng.

Nếu dưới tác dụng của tải trọng sử dụng; sau khi ứng lực trước vẫn có ứng suất kéo được khống chế trong cấu kiện; người ta gọi đó là ứng lực một phần.

Phân loại theo lực dính giữa bê tông và cáp

Theo lực dính giữa bê tông và cáp người ta phân thành:

• Cáp ứng lực trước dính kết ( bonded )
• Cáp ứng lực trước không dính kết ( unbonded )

Cáp ứng lực trước dính kết là loại cáp có sự bám dính với bê tông xung quanh dọc theo chiều dài của nó.

Cáp không dính kết phải được bảo vệ khỏi sự ăn mòn bằng các lớp mạ hoặc bởi một lớp bôi trơn chống dính; nó thường được bọc bởi ống chất dẻo để tránh sự bám dính với bê tông xunh quanh.

Phân loại theo việc đặt cáp ứng lực trước trong cấu kiện

Theo việc đặt cáp ứng lực trước trong cấu kiện người ta phân thành:

• Ứng lực trước thẳng
• Ứng lực trước vòng

Đối với các cấu kiện có dạng thẳng như dầm, sàn,….. tuy các sợi cáp được đặt theo hình parapol nhưng chúng không bị uốn cong trên mặt bằng, vì vậy được gọi là ứng lực thẳng

Đối với các kết cấu có tiết diện dạng tròn như silo, bể chứa,….;các cáp ứng lực trước được đặt theo chu vi của cấu kiện do vậy được gọi là ứng lực vòng.

Các chỉ dẫn về cấu tạo với kết cấu bê tông ứng lực trước

Vật liệu cho bê tông ứng lực trước

Bê tông

• Bê tông dùng trong cấu kiện bê tông ứng lực trước thường là bê tông nặng.
• Việc lựa chọn cấp độ bền của bê tông phụ thuộc vào dạng; loại và đường kính cốt thép căng cũng như phụ thuộc vào việc néo cốt thép căng.
• Ví dụ nếu dùng sợi thép có đường kính không lớn hơn Ø5 thì cấp độ bền của bê tông lấy nhỏ hơn B20; nếu sợi thép có đường kính không nhỏ hơn Ø6 thì cấp độ bền của bê tông lấy không nhỏ hơn B30
• Ngoài ra việc lựa chọn cấp độ bền của bê tông còn phụ thuộc vào cường độ mà nó cần phải có khi bắt đầu gây ứng lực trước; cũng như vào loại tải trọng tác dụng lên cấu kiện.
• Thông thường với kết cấu nhịp lớn như dầm, dàn,… nên dùng bê tông có cấp độ bền không nhỏ hơn B30.
• Quy định sử dụng cấp độ bền của bê tông đối với kết cấu bê tông ứng lực trước được lấy theo bảng dưới.

Thép

• Trong cấu kiện bê tông ứng lực trước cần dùng thép cường độ cao để tạo ra lực căng trước lớn; vì trong quá trình chế tạo và sử dụng, một phần ứng suất căng ban đầu bị mất đi. Tốt nhất là dùng sợi thép cường độ cao với đường kính Ø3-Ø8.
• Khi số lượng sợi thép nhiều nên sử dụng cáp. Cáp bảy sợi được sử dụng rất phổ biến; được chế tạo từ sáu sơi thép xoắn quanh một sợi thẳng ở giữa. Cáp bảy sợi thường được chế tạo từ sơi thép Ø5 hoặc Ø6. Khi cần thiết có thể ghép các cáp bảy sợi vào một ông rãnh để tạo lực căng lớn hơn.

Các vật liệu khác

• Ngoài các vật liệu chính là bê tông và thép cường độ cao; còn có những vật liệu phụ khác được sử dụng cho bê tông ứng lực trước căng sau

• Với loại cáp ứng lực trước dính kết, cần phải có ống gen tạo lỗ đặt cáp. Ống gen có thể được chế tạo bằng tôn mạ kẽm hoặc bằng chất dẻo; ống được sẵn trong cấu kiện trước khi đổ bê tông. Ống phải đảm bảo độ bền, không bị hư hại trong khi thi công; đảm bảo kín và không có phản ứng với thép và bê tông.
• Sau khi hoàn thành việc căng cáp, vữa xi măng với một cấp phối quy định; được bơm vào từ đầu neo thông qua các ống đặt sẵn với áp lực 0,3-0,5 MPa. Vữa bơm có tác dụng tạo sự kết dính và chống ăn mòn cho cáp. Vừa phải chảy dẻo, ít co ngót. Thành phần của vữa bơm gồm xi măng pooclang thường; hoặc xi măng đông kết nhanh, trộn với nước với tỷ lệ theo trọng lượng là 0,33; và một số phụ gia như Flowcable, Pozzolith,…trong một số trường hợp cá biệt có thể dùng thêm cát mịn cho vữa bơm
• Với loại cáp ứng lực trước không kết dính; cáp được bọc bởi vỏ bọc chất dẻo tổng hợp hoặc lớp giấy đặc biệt. Lớp vỏ bọc phải đảm bảo tính năng cơ học trong khoảng nhiệt độ từ -20 tới 70 độ C; phải có đủ độ bền cần thiết để không bị hư hại trong khi chuyên chở; lắp dựng và kéo căng, có khả năng chống thấm tốt và không gây ăn mòn cho bê tông, thép và các vật liệu chén khác. Việc lồng cáp vào vỏ bọc , việc xử lý tại các vị trí nối phải được tiến hành cẩn thận; tránh cho cáp tiếp xúc với vữa bê tông, gây ăn mòn cáp.

• Vữa dùng để lấp các khe thi công; các mối nối của cấu kiện lắp ghép để làm lớp bào vệ cốt thép; và bảo vệ các neo, phải có mác từ 15Mpa trở lên.

Bố trí cốt thép

Trong cấu kiện bê tông ứng lực trước, việc bố trí cốt thép đóng một vai trò rất quan trọng.

• Với cấu kiện chịu kéo trung tâm, thép ULT nên bố trí đối xứng với trọng tâm của tiết diện để có thể tạo ra ứng suất nén đều cho bê tông.
• Với cấu kiện chịu uốn, hiệu quả của việc bố trí thép ULT phụ thuộc khá nhiều vào quỹ đạo của thép theo trục dầm. Nên bố trí quỹ đạo thép ULT tuân theo dạng của biểu đồ momen do tải trọng sử dụng gây ra.
• Tại các chỗ uốn cong của cốt thép ULT, cần đặt thêm các cốt thép phụ để gia cường.

• Trong tiết diện ngang, cần lưu ý đến việc bố trí khoảng cách giữa các cốt thép và lớp bê tông bảo vệ. Trong phương pháp căng trước, việc cấu tạo tương ự như đối với bê tông cốt thép thường.

• Trong phương pháp căng sau, nếu cốt thép ULT được đặt trong rãnh thì chiều dày lớp bê tông bảo vệ kể từ mặt ngoài cấu kiện đến mặt trong rãnh lấy không nhỏ hơn 20mm và không nhỏ hơn đường kính rãnh; còn khi đường kính rãnh lớn hơn 32mm thì lấy ít nhất bằng đường kính rãnh.
• Khi trong rãnh đặt một số bó hoặc thanh cốt thép thì lớp bảo vệ lấy không nhỏ hơn 80mm đối với các thành bên; không nhỏ hơn 60mm và nhỏ hơn một nửa chiều rộng rãnh đối với các mặt đáy.
• Khoảng cách giữa các rãnh không được nhỏ hơn đường kính rãnh; và không nhỏ hơn 50mm, đồng thời phải chọn sao cho việc căng cốt thép được dễ dàng; tránh phá hoại cục bộ khi buông cốt thép.