Cọc bê tông ly tâm đóng xuống nền đất yếu, dầm cầu vượt dài vài chục mét, tấm sàn phẳng không dầm ở tòa nhà cao tầng đều giấu bên trong cùng một thứ: thép dự ứng lực, loại thép được kéo căng trước khi kết cấu chịu tải. Trên báo giá nó hiện ra với đủ tên PC strand, PC bar, PC wire, cỡ 12,7 hay 15,24, cấp 270 hay 1860, khiến người không làm chuyên ngành khó biết mình đang mua gì. Bài này giải thích thép dự ứng lực là gì, vì sao phải là thép cường độ rất cao chứ không dùng thép xây dựng thường được, ba loại và thông số theo tiêu chuẩn, cùng những lưu ý khi mua và thi công.
1. Thép dự ứng lực là gì
Thép dự ứng lực (còn gọi là thép ứng suất trước, cốt thép dự ứng lực) là thép cường độ rất cao, được kéo căng rồi neo vào bê tông để tạo sẵn một lực nén trong cấu kiện. Bê tông chịu nén tốt nhưng chịu kéo kém, dầm thường nứt ở thớ dưới khi chịu tải. Nén trước bê tông bằng thép căng thì khi tải xuống, phần kéo do tải chỉ “trả bớt” lực nén có sẵn, bê tông ít nứt hoặc không nứt, nên cấu kiện vượt được nhịp lớn hơn với tiết diện mỏng hơn.
Giới hạn bền kéo của thép dự ứng lực vào khoảng 1.420 đến 1.860 MPa, gấp khoảng 2,5 đến 3,3 lần thép cốt bê tông CB400 (giới hạn bền tối thiểu 570 MPa). Nhóm thép cường độ cao dùng cho kết cấu thép thông thường như Q355, A572 thấp hơn nhiều, xem bài thép cường độ cao Q355, A572.
2. Vì sao phải dùng thép cường độ rất cao
Sau khi căng, lực trong thép không giữ nguyên. Bê tông co ngót và từ biến (co ngắn dần dưới lực nén), thép bị chùng ứng suất, mỗi thứ lấy đi một phần lực căng. Phần co ngắn của bê tông gần như cố định, nên thép căng càng cao thì tỷ lệ mất càng nhỏ.
Ví dụ minh họa với giả định bê tông co ngắn thêm khoảng 0,07% theo thời gian (biến dạng 0,0007) và mô đun đàn hồi thép khoảng 195.000 đến 200.000 MPa:
- Cáp dự ứng lực căng tới 1.300 MPa: mất khoảng 0,0007 x 195.000 = 137 MPa, tức khoảng 10% lực căng. Vẫn còn hơn 1.150 MPa để nén bê tông.
- Thép CB400 căng tới 300 MPa: mất khoảng 0,0007 x 200.000 = 140 MPa, gần một nửa lực căng. Lực nén còn lại quá ít để có ý nghĩa.
Con số co ngắn thật phụ thuộc cấp bê tông, độ ẩm, tuổi bê tông lúc căng và do kỹ sư tính theo tiêu chuẩn thiết kế. Nhưng ví dụ cho thấy vì sao thép dự ứng lực phải căng được tới hơn 1.000 MPa. Cách đọc giới hạn chảy, giới hạn bền trên chứng chỉ có ở bài giới hạn chảy và giới hạn bền.
3. Các loại thép dự ứng lực
3.1. Cáp dự ứng lực (PC strand)
Gồm 7 sợi thép cường độ cao, một sợi giữa và 6 sợi bện quanh, loại thông dụng nhất cho cầu, sàn căng sau, dầm lớn. Tiêu chuẩn phổ biến là ASTM A416 (Mỹ), cấp 270 tương ứng giới hạn bền 1.860 MPa. Thông số loại chùng ứng suất thấp theo ASTM A416:
| Đường kính danh nghĩa | Diện tích | Lực kéo đứt tối thiểu | Khối lượng |
|---|---|---|---|
| 12,70 mm (0,5 inch) | 98,7 mm² | 183,7 kN | 0,775 kg/m |
| 15,24 mm (0,6 inch) | 140,0 mm² | 260,7 kN | 1,102 kg/m |
Độ chùng ứng suất sau 1.000 giờ không quá 2,5% khi căng ban đầu 70% lực kéo đứt, không quá 3,5% khi căng 80%. Hòa Phát công bố cáp dự ứng lực có các cỡ 9,53, 12,7, 15,24 và 15,7 mm, lực kéo đứt từ 102,3 đến 266,0 kN, khối lượng 430 đến 1.170 g/m. Cỡ 15,7 mm là cỡ theo tiêu chuẩn Anh BS 5896.
3.2. Dây thép dự ứng lực (PC wire)
Sợi thép cacbon cao (trên 0,6% cacbon) kéo nguội, bề mặt trơn hoặc có khía, cỡ 5, 6, 7 mm, cấp bền 1.570 đến 1.770 MPa theo BS 5896. Theo thông số Hòa Phát, dây có tiết diện 19,6 đến 38,5 mm², lực kéo đứt 34,7 đến 60,4 kN, đóng cuộn khoảng 1.000 kg. Dây hay dùng cho cột điện ly tâm, tà vẹt, cấu kiện đúc sẵn căng trước.
3.3. Thép thanh dự ứng lực (PC bar)
Thép hợp kim mangan silic, tiết diện tròn, bề mặt trơn hoặc có gân xoắn, theo JIS G3137. Hòa Phát công bố các cỡ 7,1, 9,0, 10,7, 12,6 mm, giới hạn bền từ 1.420 MPa, giới hạn chảy từ 1.275 MPa, độ giãn dài 5%, độ chùng sau 1.000 giờ 2,5%. Đây là thép chính trong cọc bê tông ly tâm ứng suất trước và nhiều cấu kiện đúc sẵn.
4. Tiêu chuẩn thép dự ứng lực
| Tiêu chuẩn | Áp dụng cho |
|---|---|
| TCVN 6284-1 đến 6284-5:1997 | Thép cốt bê tông dự ứng lực: yêu cầu chung, dây kéo nguội, dây tôi và ram, dảnh (cáp), thép thanh cán nóng. Tương đương ISO 6934:1991 |
| TCVN 7937-3:2013 | Phương pháp thử thép dự ứng lực (theo ISO 15630-3) |
| ASTM A416 | Cáp 7 sợi, cấp 250 (1.725 MPa) và 270 (1.860 MPa) |
| BS 5896 | Dây và cáp dự ứng lực (Anh) |
| JIS G3137 | Thép thanh dự ứng lực đường kính nhỏ (Nhật) |
| JIS G3536 | Dây và cáp dự ứng lực (Nhật) |
Bộ TCVN 6284 ban hành từ 1997 theo ISO bản 1991, nhiều dự án và nhà sản xuất hiện dùng trực tiếp ASTM, BS, JIS. Hòa Phát công bố sản phẩm thép dự ứng lực được chứng nhận phù hợp JIS G3137:2008 và ASTM A416. Tổng quan các bộ tiêu chuẩn thép khác có ở bài các bộ tiêu chuẩn thép TCVN, ASTM, JIS.
5. Căng trước và căng sau
| Cách làm | Căng trước | Căng sau |
|---|---|---|
| Trình tự | Căng thép trên bệ, đổ bê tông, bê tông đủ cường độ thì cắt thép, lực truyền sang bê tông qua bám dính | Đặt ống gen trong bê tông, đổ bê tông, đủ cường độ mới luồn cáp, căng bằng kích và neo ở hai đầu |
| Làm ở đâu | Nhà máy cấu kiện đúc sẵn | Ngay tại công trường |
| Hay dùng cho | Cọc ly tâm, cột điện, tà vẹt, dầm, sàn rỗng đúc sẵn | Dầm cầu, sàn phẳng nhà cao tầng, bể chứa, dầm nhịp lớn |
| Loại thép | PC wire, PC bar, cáp nhỏ | Cáp 12,7 và 15,24 mm |
Căng sau có loại bám dính (bơm vữa xi măng vào ống gen sau khi căng) và không bám dính (cáp bọc mỡ và vỏ nhựa HDPE, không bơm vữa), loại sau hay gặp ở sàn nhà cao tầng.
6. Ứng dụng của thép dự ứng lực
- Cầu: dầm cầu, cầu đúc hẫng, cầu dây văng.
- Nhà cao tầng: sàn phẳng không dầm căng sau giúp giảm chiều cao tầng, mở nhịp cột rộng.
- Cấu kiện đúc sẵn: cọc ly tâm, cột điện, tà vẹt đường sắt, dầm và tấm sàn đúc sẵn.
- Công trình chứa nước, thủy lợi: bể chứa, tường chắn, kết cấu cửa đập.
7. Lưu ý khi mua và thi công thép dự ứng lực
- Đọc đúng chứng chỉ: phải có lực kéo đứt, giới hạn chảy, độ giãn dài, độ chùng ứng suất của từng cuộn, đúng tiêu chuẩn và cấp ghi trong thiết kế. Cách kiểm giấy tờ có ở bài kiểm CO, CQ thép nhập.
- Không hàn, không cắt bằng nhiệt: nhiệt làm thép mất cường độ. Cắt bằng máy cắt đá, không dùng mỏ hàn cắt, không để tia hàn bắn vào cáp.
- Không gập, không uốn nóng: sợi bị gập, xước sâu thì loại bỏ.
- Bảo quản khô: kê cao khỏi đất, che mưa. Thép cường độ cao bị gỉ rỗ thì nguy hiểm hơn thép thường vì chịu ứng suất rất lớn. Gỉ mỏng bề mặt thường chấp nhận được, rỗ thì không.
- Căng theo quy trình: kích căng phải kiểm định, đo cả lực căng và độ giãn dài để đối chiếu với tính toán, đứng tránh xa phương cáp khi căng.
8. Câu hỏi thường gặp
Cáp dự ứng lực khác cáp thép thường thế nào?
Cáp dự ứng lực là 7 sợi thép cường độ rất cao, không mạ, chùng ứng suất thấp, làm việc như cốt thép trong bê tông. Cáp thép thường (cáp cẩu, cáp treo) bện nhiều tao, có lõi, thường mạ hoặc bôi mỡ, làm việc độc lập ngoài không khí.
Cấp 270 trên cáp dự ứng lực nghĩa là gì?
Là giới hạn bền tối thiểu 270 ksi theo ASTM A416, tương đương 1.860 MPa. Cấp 250 tương đương 1.725 MPa.
Có dùng thép CB500 thay thép dự ứng lực được không?
Không. CB500 có giới hạn bền tối thiểu 650 MPa theo TCVN 1651-2:2018, căng lên thì phần lớn lực bị mất do co ngót và từ biến của bê tông, như ví dụ ở mục 2.
Thép dự ứng lực có bị gỉ không?
Có, vì phần lớn không mạ. Khi nằm trong bê tông đủ lớp bảo vệ hoặc trong ống gen đã bơm vữa thì được bảo vệ. Lúc chờ thi công phải để khô, che kín.
Kết luận
Thép dự ứng lực là thép cường độ 1.420 đến 1.860 MPa được căng sẵn để nén bê tông, gồm ba loại cáp, dây và thanh, mỗi loại hợp một kiểu cấu kiện. Khi đặt hàng, ghi rõ loại, đường kính, tiêu chuẩn và cấp bền theo thiết kế, yêu cầu chứng chỉ từng cuộn có độ chùng ứng suất. Cần báo giá cáp dự ứng lực, thép thanh PC bar hoặc các loại thép xây dựng đi kèm cho công trình, gọi Giá Thép Hôm Nay qua hotline 0906 341 094.