Bê tông dự ứng lực (còn gọi bê tông ứng suất trước) là bê tông được nén sẵn bằng cáp hoặc thanh thép cường độ cao đã kéo căng, để khi cấu kiện chịu tải thì vùng bê tông lẽ ra bị kéo vẫn còn ở trạng thái nén hoặc chỉ bị kéo rất ít. Bê tông chịu nén rất tốt nhưng chịu kéo kém, khoảng một phần mười sức chịu nén; dự ứng lực là cách "trả trước" phần kéo đó bằng một lực nén chủ động.
Có hai cách tạo lực nén: căng trước (kéo cáp trên bệ rồi mới đổ bê tông, lực truyền qua độ bám dính) và căng sau (đổ bê tông có chừa ống, đủ cường độ mới luồn cáp, kéo và neo ở hai đầu). Nhờ dự ứng lực, dầm cầu có thể vượt nhịp dài hơn, mảnh hơn, ít nứt hơn so với bê tông cốt thép thường. Bài này giải thích cơ chế bằng lời, so hai cách căng, các nguồn mất mát lực căng và những chỗ người mới vào nghề hay hiểu sai.
Ý tưởng cốt lõi: nén trước để bê tông không phải chịu kéo
Hình dung một hàng sách xếp nằm ngang trên bàn. Nhấc lên bằng tay ở hai đầu thì hàng sách rơi ngay, vì giữa các cuốn không có gì giữ. Nhưng nếu ép thật chặt hai đầu rồi nhấc, cả hàng sách đứng thành một "dầm" vững. Lực ép ở hai đầu chính là dự ứng lực; các cuốn sách là bê tông, thứ chịu nén tốt nhưng gần như không dính nhau khi bị kéo.
Một dầm cầu bê tông khi chịu tải sẽ võng xuống: thớ trên bị nén, thớ dưới bị kéo. Ở bê tông cốt thép thường, thớ dưới nứt ngay khi ứng suất kéo vượt sức chịu kéo nhỏ bé của bê tông, rồi cốt thép gánh phần kéo. Vết nứt nhỏ là chuyện bình thường của bê tông cốt thép, nhưng nhịp càng dài thì vết nứt và độ võng càng lớn, nước và muối có đường đi vào thép.
Ở dầm dự ứng lực, cáp được đặt lệch về phía dưới trọng tâm tiết diện (hoặc đi theo đường cong võng xuống ở giữa nhịp). Khi cáp kéo căng và được neo, nó nén bê tông và đồng thời làm dầm vồng nhẹ lên. Tải trọng sau đó chỉ "xoá" bớt phần nén ở thớ dưới chứ chưa đủ làm thớ dưới chuyển sang kéo lớn. Kết quả: tiết diện làm việc gần như nguyên vẹn, không nứt hoặc nứt rất hạn chế dưới tải khai thác.
Điểm cần nhớ: dự ứng lực không làm bê tông "khoẻ hơn" về vật liệu. Nó thay đổi trạng thái ứng suất bên trong để bê tông được dùng đúng sở trường. Vì vậy thiết kế dự ứng lực luôn đi kèm câu hỏi: lực căng bao nhiêu, cáp đi đường nào, và sau nhiều năm lực đó còn lại bao nhiêu.
Vì sao bê tông cốt thép thường không đủ cho nhịp dài
Trọng lượng bản thân là kẻ thù của nhịp dài. Mô men uốn do tải phân bố tăng theo bình phương chiều dài nhịp: nhịp gấp đôi thì mô men gấp bốn với cùng tải trên mỗi mét. Muốn chịu mô men lớn, dầm phải cao và nặng hơn, mà nặng hơn lại thêm mô men. Bê tông cốt thép thường vì thế hợp với nhịp ngắn; khi nhịp vượt khoảng hai ba chục mét, dầm trở nên nặng nề, võng nhiều và nứt rõ.
Câu hỏi tự nhiên là: sao không dùng thép cường độ cao cho bê tông cốt thép thường? Thép thanh thông dụng có giới hạn chảy khoảng vài trăm MPa; sợi thép dự ứng lực có cường độ kéo đứt khoảng 1.860 MPa, gấp ba bốn lần. Nhưng thép trong bê tông cốt thép chỉ phát huy lực khi nó giãn ra, và để thép cường độ cao đạt ứng suất lớn thì nó phải giãn nhiều, kéo theo vết nứt bê tông rất rộng. Thép mạnh mà không dùng được.
Dự ứng lực giải bài toán đó bằng cách kéo giãn thép trước, khi chưa có tải, rồi khoá độ giãn ấy lại trong kết cấu. Thép cường độ cao làm việc ở ứng suất cao ngay từ đầu, còn bê tông không phải nứt để "mời" thép làm việc. Đó là lý do hầu hết dầm cầu nhịp trung bình và lớn ngày nay đều là dầm dự ứng lực, từ dầm I, dầm super T lắp ghép trên các tuyến quốc lộ đến dầm hộp đúc hẫng vượt sông.
Một lợi ích ít được để ý là độ bền lâu dài. Bê tông luôn ở trạng thái nén nên ít nứt, nước và ion clorua khó xâm nhập vào cốt thép. Với cầu gần biển hoặc vùng nước lợ, chuyện này quyết định tuổi thọ công trình không kém khả năng chịu tải.
Căng trước: kéo cáp trên bệ rồi mới đổ bê tông
Căng trước (tiếng Anh: pretensioning) chủ yếu làm trong nhà máy hoặc bãi đúc cấu kiện, nơi có bệ căng chắc chắn. Trình tự nguyên lý như sau:
- Đặt các tao cáp chạy dọc bệ căng dài, có khi đủ đúc nhiều dầm nối tiếp nhau; hai đầu bệ là khối neo rất cứng chịu toàn bộ lực kéo.
- Kéo căng từng tao hoặc cả nhóm tao bằng kích tới lực thiết kế, neo tạm vào khối neo đầu bệ. Lúc này cáp giống dây đàn căng giữa hai cột.
- Lắp cốt thép thường, ván khuôn, rồi đổ bê tông bao quanh cáp. Nhiều nhà máy dùng bảo dưỡng hơi nước để bê tông lên cường độ nhanh.
- Khi mẫu thử cho thấy bê tông đạt cường độ truyền lực theo thiết kế, nhả dần lực ở đầu bệ và cắt cáp giữa các dầm.
- Cáp muốn co lại nhưng đã bám chặt vào bê tông, nên nó kéo bê tông co theo, tức là nén bê tông. Lực truyền qua một đoạn ở hai đầu dầm gọi là chiều dài truyền lực.
Căng trước hợp với cấu kiện sản xuất hàng loạt, kích thước lặp lại: dầm I, dầm super T, dầm bản rỗng cho cầu nhỏ, cọc ống bê tông ly tâm dự ứng lực, tà vẹt đường sắt. Cáp thường đi thẳng; muốn đổi độ lệch tâm dọc dầm thì phải uốn cáp bằng thiết bị giữ trên bệ hoặc bọc cách ly một số tao ở gần đầu dầm để lực không truyền vào đoạn đó.
Vì bê tông đổ trong nhà máy, chất lượng dễ kiểm soát hơn công trường. Đổi lại, cấu kiện phải chở và cẩu lắp, nên kích thước và trọng lượng bị giới hạn bởi đường vận chuyển và năng lực cẩu.
Căng sau: đổ bê tông có chừa ống, đủ cường độ mới kéo cáp
Căng sau (post-tensioning) làm được ngay tại công trường và cho phép cáp đi theo đường cong bám sát biểu đồ mô men. Trình tự nguyên lý:
- Đặt ống gen (ống tôn mạ kẽm gợn sóng hoặc ống nhựa) theo đường cáp thiết kế, cố định bằng giá đỡ để không bị đẩy nổi khi đổ bê tông; lắp tấm đệm neo và cốt thép xoắn ở hai đầu.
- Đổ bê tông. Cáp có thể luồn trước hoặc sau khi đổ, tuỳ biện pháp; luồn sau thì phải kiểm ống không bị tắc.
- Khi bê tông đạt cường độ yêu cầu, lắp đầu neo và nêm, đặt kích, kéo cáp theo cấp lực, đo độ giãn dài và đóng nêm để khoá lực.
- Cắt phần cáp thừa, bịt đầu neo, rồi bơm vữa xi măng lấp đầy lòng ống để bảo vệ cáp khỏi rỉ và tạo bám dính giữa cáp với bê tông.
Căng sau là cách làm của dầm hộp đúc hẫng cân bằng vượt sông lớn, dầm liên tục nhiều nhịp, trụ cột chịu lực, bể chứa tròn, và sàn nhà cao tầng không dầm. Với cầu đúc hẫng, mỗi đốt đúc xong lại được căng cáp để "treo" vào phần đã làm, nên dự ứng lực vừa là kết cấu vĩnh cửu vừa là biện pháp thi công.
Căng sau đòi hỏi nhiều bước tay nghề hơn: định vị ống, căng, bơm vữa. Lỗi ở bước bơm vữa không lộ ra ngay mà để lại lòng ống rỗng, nơi cáp có thể rỉ sau nhiều năm.
So sánh nhanh căng trước và căng sau
Bảng dưới gom các khác biệt chính để người mới phân biệt khi đọc hồ sơ hoặc đi xem bãi đúc:
| Tiêu chí | Căng trước | Căng sau |
|---|---|---|
| Thời điểm kéo cáp | Trước khi đổ bê tông | Sau khi bê tông đạt cường độ |
| Truyền lực vào bê tông | Qua bám dính dọc cáp, chủ yếu ở đầu dầm | Qua đầu neo và tấm đệm ở hai đầu |
| Đường đi của cáp | Thường thẳng hoặc gãy khúc | Cong theo thiết kế, linh hoạt |
| Nơi làm | Nhà máy, bãi đúc có bệ căng | Công trường hoặc bãi đúc |
| Phụ kiện | Không cần neo vĩnh cửu, ống gen | Cần neo, ống gen, vữa bơm |
| Cấu kiện điển hình | Dầm I, super T, bản rỗng, cọc ống | Dầm hộp, dầm liên tục, sàn, trụ |
| Rủi ro tay nghề chính | Cường độ truyền lực, cắt cáp đúng trình tự | Định vị ống, căng đủ lực, bơm vữa đầy |
Nhiều công trình dùng cả hai: dầm super T căng trước ở nhà máy, sau khi lắp lên trụ thì đổ bản mặt cầu và căng thêm cáp căng sau qua các nhịp để biến dầm giản đơn thành liên tục. Khi đọc bản vẽ, ký hiệu ống gen và đầu neo cho biết ngay có căng sau hay không.
Mất mát ứng suất: lực căng không giữ nguyên mãi
Co ngắn đàn hồi. Khi lực truyền vào, bê tông co lại một chút, cáp cũng ngắn theo và mất một phần lực. Ở căng sau, các bó căng sau làm bê tông co thêm, nên bó căng trước mất lực nhiều hơn; trình tự căng trong hồ sơ tính đến chuyện này.
Ma sát trong ống. Chỉ có ở căng sau. Cáp cong cọ vào thành ống, cộng với độ lượn sóng ngoài ý muốn của ống, làm lực ở giữa nhịp nhỏ hơn lực ở đầu kích. Ống bị bẹp, lệch hoặc rò vữa vào làm ma sát tăng bất thường.
Tụt neo. Khi nhả kích, nêm trượt vào lỗ côn vài milimét trước khi bám chặt, cáp co lại đúng đoạn đó. Với bó cáp ngắn, vài milimét chiếm tỷ lệ đáng kể trong tổng độ giãn, nên tụt neo ảnh hưởng mạnh.
Co ngót và từ biến của bê tông. Bê tông co lại khi mất nước và tiếp tục biến dạng chậm dưới lực nén lâu dài. Cả hai làm cấu kiện ngắn dần trong nhiều năm, cáp chùng theo. Đây là phần mất mát lớn và kéo dài nhất, phụ thuộc cấp phối, độ ẩm, tuổi bê tông lúc căng.
Chùng ứng suất của thép. Thép giữ ở độ giãn cố định vẫn tự giảm lực theo thời gian. Cáp loại chùng thấp được sản xuất để giảm hiện tượng này, nên gần như mọi công trình hiện nay dùng loại đó.
Một chút lịch sử và những hiểu lầm hay gặp
Ý tưởng nén trước bê tông đã được thử từ cuối thế kỷ 19, nhưng các thí nghiệm đầu tiên thất bại vì dùng thép thường: lực căng nhỏ, và chỉ sau vài năm co ngót cùng từ biến của bê tông "ăn" gần hết độ giãn của thép. Kỹ sư người Pháp Eugène Freyssinet là người hiểu ra điều then chốt: phải dùng thép cường độ cao, kéo giãn nhiều, để phần mất mát chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ. Ông đăng ký sáng chế về bê tông dự ứng lực năm 1928, và sau Chiến tranh thế giới thứ hai kỹ thuật này lan rộng nhanh trong xây dựng cầu.
Hiểu lầm 1: dầm dự ứng lực thì không bao giờ nứt. Thiết kế có thể cho phép nứt hạn chế ở một số vùng, và dầm bị căng thiếu lực, căng sai trình tự hoặc vữa không đầy vẫn nứt. Nứt dọc theo đường ống gen hoặc nứt xiên ở đầu dầm là dấu hiệu cần kỹ sư kiểm tra, không phải chuyện "nứt chân chim".
Hiểu lầm 2: cáp càng căng mạnh càng tốt. Căng quá lực có thể làm nứt vùng neo, làm dầm vồng quá mức, hoặc ép thớ trên vượt sức chịu nén lúc dầm còn nhẹ. Lực căng là con số thiết kế, có giới hạn trên lẫn dưới, và chỉ được thay đổi khi người thiết kế đồng ý.
Hiểu lầm 3: dầm vồng lên là lỗi. Độ vồng ngược do dự ứng lực là có chủ đích; hồ sơ thường dự tính độ vồng và cách xử lý cao độ bản mặt cầu. Điều cần để ý là độ vồng giữa các dầm cùng loại chênh nhau nhiều, vì đó có thể là dấu hiệu lực căng hoặc tuổi bê tông khác nhau.
Câu hỏi thường gặp
Bê tông dự ứng lực và bê tông ứng suất trước có khác nhau không?
Không. Đây là hai cách gọi cùng một loại kết cấu: bê tông được tạo lực nén trước bằng thép cường độ cao đã kéo căng. Tài liệu Việt Nam dùng cả hai tên, trong khi tiếng Anh gọi chung là prestressed concrete, chia ra pretensioned (căng trước) và post-tensioned (căng sau).
Nhìn một dầm đã lắp trên cầu có biết căng trước hay căng sau không?
Thường đoán được qua đầu dầm. Dầm căng sau có hốc neo hoặc khối bịt đầu neo ở mặt đầu dầm, đôi khi thấy lỗ bơm vữa. Dầm căng trước có mặt đầu dầm phẳng, đầu cáp được cắt sát và quét lớp bảo vệ. Chắc chắn nhất vẫn là xem bản vẽ hoàn công.
Vì sao phải chờ bê tông đủ cường độ mới căng hoặc cắt cáp?
Lực dự ứng lực tập trung rất lớn ở vùng neo và vùng truyền lực. Bê tông non chưa đủ sức chịu nén cục bộ sẽ vỡ, nứt toác sau tấm đệm neo hoặc để cáp trượt khỏi bám dính. Cường độ tối thiểu lúc căng được ghi trong hồ sơ thiết kế và kiểm bằng mẫu thử cùng điều kiện bảo dưỡng.
Dự ứng lực ngoài là gì?
Là cách đặt cáp bên ngoài tiết diện bê tông, ví dụ trong lòng dầm hộp, chỉ bám vào kết cấu tại các khối neo và ụ chuyển hướng. Cách này dễ kiểm tra và thay cáp, hay dùng để gia cường cầu cũ đã suy giảm khả năng chịu lực, hoặc kết hợp với cáp trong cho dầm hộp mới.
Sàn dự ứng lực nhà cao tầng có giống dầm cầu không?
Cùng nguyên lý nhưng khác chi tiết. Sàn thường dùng cáp đơn có vỏ bọc không bám dính hoặc cáp dẹt trong ống dẹt, lực căng mỗi bó nhỏ, đi cong nhẹ qua các cột. Dầm cầu dùng bó nhiều tao, lực lớn, gần như luôn bơm vữa và chịu tải trọng xe lặp lại suốt đời công trình.
Học dự ứng lực nên bắt đầu từ đâu?
Nên nắm chắc ứng suất trong dầm chịu uốn và tính chất bê tông (co ngót, từ biến) trước, rồi đọc phần dự ứng lực trong giáo trình kết cấu bê tông và tiêu chuẩn thiết kế cầu hiện hành. Đi bãi đúc xem một ca căng cáp và đọc biên bản căng giúp hiểu nhanh hơn nhiều so với chỉ đọc công thức.