Cáp dự ứng lực theo ASTM A416 là tao thép gồm bảy sợi (một sợi giữa, sáu sợi xoắn quanh), loại chùng ứng suất thấp, có hai cấp cường độ là 1725 MPa (cấp 250) và 1860 MPa (cấp 270); trong dầm cầu ở Việt Nam, hay gặp nhất là tao cấp 1860 đường kính 12,7 mm và 15,2 mm. Con số 1860 là cường độ kéo đứt tối thiểu tính trên diện tích danh định, không phải lực căng khi thi công.
ASTM A416/A416M là tiêu chuẩn của Hội Thử nghiệm và Vật liệu Hoa Kỳ (chữ M chỉ bản hệ mét), được rất nhiều hồ sơ thiết kế cầu ở Việt Nam viện dẫn, bên cạnh các tiêu chuẩn tương đương như JIS G 3536 của Nhật hay tiêu chuẩn quốc gia. Bài này giải thích các chỉ tiêu trong tiêu chuẩn có ý nghĩa gì, chứng chỉ xuất xưởng phải ghi gì, nhận và thử cáp ra sao, và cách bảo quản để cáp không hỏng trước khi kịp vào kết cấu.
Cấu tạo một tao cáp và vì sao lại là bảy sợi
Tao cáp được bện từ bảy sợi thép carbon cao đã kéo nguội: sợi giữa thẳng, hơi to hơn sáu sợi bao quanh để các sợi ngoài ôm chặt lấy nó. Bước bện (khoảng dọc trục để một sợi ngoài đi hết một vòng) được tiêu chuẩn giới hạn trong khoảng 12 đến 16 lần đường kính danh định. Bện quá lỏng thì sợi dễ tách, bện quá chặt thì tao cứng và kém đàn hồi.
Bảy sợi là cấu hình tối ưu về hình học: sáu vòng tròn bằng nhau xếp vừa khít quanh một vòng tròn ở giữa. Tao vừa đủ mềm để cuộn thành cuộn lớn, luồn qua ống cong, vừa có bề mặt xoắn giúp bám dính tốt với bê tông hoặc vữa. So với một sợi thép tròn cùng diện tích, tao bảy sợi dễ uốn hơn nhiều và nêm neo kẹp chắc hơn nhờ các rãnh xoắn.
Sau khi bện, tao được xử lý cơ nhiệt ổn định hoá (kéo căng đồng thời gia nhiệt) để giảm chùng ứng suất về sau. Đó là lý do có chữ "chùng thấp" (low relaxation) trên chứng chỉ. Các phiên bản ASTM A416 trước đây có cả loại khử ứng suất thông thường, nhưng thực tế xây dựng cầu hiện nay gần như chỉ dùng loại chùng thấp, và các bản tiêu chuẩn gần đây cũng tập trung vào loại này.
Các chỉ tiêu chính của hai cỡ tao phổ biến (cấp 1860)
Số liệu dưới đây là giá trị danh định của tiêu chuẩn cho tao cấp 270 (1860 MPa); khi dùng cho dự án, luôn đối chiếu với bản tiêu chuẩn và hồ sơ thiết kế được viện dẫn:
| Chỉ tiêu | Tao 12,7 mm (0,5 inch) | Tao 15,24 mm (0,6 inch) |
|---|---|---|
| Diện tích danh định | khoảng 98,7 mm² | khoảng 140 mm² |
| Lực kéo đứt tối thiểu | khoảng 183,7 kN | khoảng 260,7 kN |
| Khối lượng trên mét | khoảng 0,78 kg/m | khoảng 1,10 kg/m |
| Lực ở độ giãn 1% (giới hạn chảy quy ước) | ≥ 90% lực kéo đứt tối thiểu | ≥ 90% lực kéo đứt tối thiểu |
| Độ giãn dài khi đứt | ≥ 3,5% | ≥ 3,5% |
| Chùng ứng suất sau 1.000 giờ | ≤ 2,5% khi giữ ở 70% lực đứt; ≤ 3,5% khi giữ ở 80% | như bên trái |
Người ngoài nghề hay gọi "cáp 15,2" là để chỉ tao 0,6 inch; cùng cỡ này còn có biến thể diện tích lớn hơn (ví dụ tao 15,7 mm theo một số tiêu chuẩn châu Âu), nên khi đọc bảng tính phải xem đúng diện tích mà thiết kế dùng. Đầu neo và nêm cũng được chế tạo theo cỡ tao, không lắp lẫn tao 12,7 vào neo 15,2 hay ngược lại.
Một cách hình dung nhanh: một tao 15,2 cấp 1860 chịu được lực kéo cỡ 26 tấn trước khi đứt. Bó cáp dầm cầu thường có hàng chục tao, nên lực trong một bó có thể lên tới hàng trăm tấn. Đó là lý do mọi thao tác căng kéo đều phải theo quy trình và có vùng cấm người đứng.
Hiểu đúng "cấp 1860", "chùng thấp" và giới hạn chảy quy ước
Thép dự ứng lực không có điểm chảy rõ rệt như thép thanh xây dựng. Đường cong ứng suất – biến dạng của nó cong dần lên đỉnh, nên người ta định nghĩa giới hạn chảy quy ước là lực tại độ giãn 1%. Tiêu chuẩn yêu cầu lực này không nhỏ hơn 90% lực kéo đứt tối thiểu với loại chùng thấp. Con số này quan trọng vì các giới hạn ứng suất khi căng trong tiêu chuẩn thiết kế được đặt theo cường độ chảy và cường độ đứt.
Chùng ứng suất là hiện tượng thép bị giữ ở chiều dài cố định vẫn tự giảm lực theo thời gian. Thí nghiệm chùng giữ mẫu ở 70% hoặc 80% lực đứt trong 1.000 giờ ở nhiệt độ quy định, rồi đo phần lực mất. Loại chùng thấp mất ít hơn nhiều so với loại thông thường, giúp lực dự ứng lực còn lại lâu dài lớn hơn và dễ dự báo hơn. Nhiệt độ cao làm chùng tăng, nên cáp dùng trong cấu kiện bảo dưỡng hơi nước hay vùng nóng cần được thiết kế tính đến.
Độ giãn dài khi đứt không thấp hơn 3,5% là thước đo độ dẻo: thép quá giòn sẽ đứt đột ngột không báo trước. Đây là chỉ tiêu hay bị xem nhẹ khi đọc chứng chỉ, nhưng một lô cáp có độ giãn khi đứt sát ngưỡng dưới là lô cần chú ý nguồn gốc và quá trình xử lý nhiệt.
Cuối cùng là mô đun đàn hồi. Tiêu chuẩn không ép một giá trị cố định, nhưng chứng chỉ thường ghi mô đun đo được, quanh 195.000 MPa. Giá trị này đi thẳng vào bảng độ giãn dài lý thuyết khi căng, nên phải lấy đúng của lô đang dùng.
Chứng chỉ xuất xưởng phải có những gì
Chứng chỉ chất lượng (thường gọi chung là CQ) của nhà sản xuất là căn cứ đầu tiên để chấp nhận cáp. Một chứng chỉ đầy đủ cho phép truy được từng cuộn và thường ghi:
- Tên tiêu chuẩn và phiên bản áp dụng, cấp cường độ, loại chùng thấp, đường kính danh định.
- Số mẻ thép (số lò nấu) và số hiệu từng cuộn cáp, khớp với thẻ kim loại hoặc nhãn treo trên cuộn.
- Kết quả kéo của mẫu đại diện: lực kéo đứt, lực tại độ giãn 1%, độ giãn khi đứt, diện tích thực, mô đun đàn hồi.
- Kết quả hoặc dẫn chiếu thí nghiệm chùng ứng suất theo tiêu chuẩn.
- Đường kính đo được và khối lượng trên mét, nằm trong dung sai.
- Chữ ký, dấu của bộ phận kiểm soát chất lượng nhà máy, ngày sản xuất.
Với hàng nhập khẩu còn có chứng nhận xuất xứ (CO) và bộ chứng từ nhập khẩu; với hàng sản xuất trong nước, kiểm thêm hồ sơ công bố hợp quy nếu sản phẩm thuộc diện phải công bố theo quy định hiện hành. Điều cần làm ngay khi nhận hàng là đối chiếu số cuộn trên thẻ với số trên chứng chỉ: cuộn không có trong chứng chỉ là cuộn không có hồ sơ.
Nên nghi ngờ chứng chỉ mà mọi cuộn có kết quả giống hệt nhau đến từng chữ số, chứng chỉ không có số mẻ thép, hoặc chứng chỉ photo mờ không đọc được dấu. Đó là các dấu hiệu bộ hồ sơ có thể không thuộc về lô hàng đang giao.
Nhận cáp và lấy mẫu thí nghiệm ở công trường
Chứng chỉ nhà máy không thay cho thí nghiệm đối chứng. Quy trình nhận cáp thường gồm:
- Kiểm ngoại quan từng cuộn: không rỉ lõm (rỉ bề mặt nhẹ lau được thì thường chấp nhận theo chỉ dẫn), không dính dầu mỡ, không dập, không xoắn gãy, bao gói còn nguyên.
- Đối chiếu thẻ cuộn với chứng chỉ, ghi sổ nhập vật tư theo số cuộn để sau này biết cuộn nào vào dầm nào.
- Lấy mẫu theo tần suất ghi trong chỉ dẫn kỹ thuật (theo lô, theo khối lượng), cắt bằng máy cắt đá hoặc kìm cắt, không cắt bằng lửa, đủ dài cho máy kéo.
- Gửi phòng thí nghiệm có năng lực phù hợp, yêu cầu thí nghiệm kéo đầy đủ: lực đứt, lực ở 1%, độ giãn, mô đun đàn hồi.
- Chỉ đưa cáp vào sử dụng khi kết quả đạt và được tư vấn chấp thuận; lô không đạt phải cách ly và đánh dấu rõ.
Một chi tiết kỹ thuật: tao cáp hay đứt ngay trong ngàm kẹp của máy kéo vì răng ngàm cắn vào sợi. Phòng thí nghiệm có kinh nghiệm dùng ngàm chuyên dụng hoặc đệm mềm; mẫu đứt trong ngàm mà chưa đạt lực yêu cầu thì thường được làm lại chứ chưa thể kết luận lô cáp không đạt.
Bảo quản cáp ở công trường: những thứ làm hỏng cáp trước khi căng
Ẩm và nước đọng. Cuộn cáp đặt trực tiếp trên đất, để ngoài trời mưa nắng hoặc phủ bạt kín không thoáng khí đều hấp hơi nước, gây rỉ. Kê cao trên pallet hoặc gỗ, có mái che, thông gió; trùm bạt thì chừa khe cho thoáng.
Muối, hoá chất, phân bón. Công trường gần biển hoặc kho chung với phân bón, hoá chất là môi trường tệ nhất. Thép dự ứng lực chịu ứng suất cao rất nhạy với ăn mòn ứng suất và giòn hydro, nên một vết rỉ lõm nhỏ cũng có thể thành điểm khởi đầu vết nứt.
Nhiệt và tia lửa hàn. Không hàn, không cắt bằng lửa gần cáp, không dùng tao cáp làm dây tiếp mát khi hàn. Nhiệt cục bộ làm mất tính chất đã xử lý của thép ngay tại điểm đó, và điểm này sẽ là nơi đứt khi căng.
Dầu mỡ, sơn, bùn. Cáp dùng cho bê tông bám dính phải sạch để bám vào bê tông hoặc vữa. Dầu mỡ từ máy móc, sơn chống dính ván khuôn văng vào đều làm giảm bám dính và làm nêm trượt.
Gập, xoắn khi xả cuộn. Xả cuộn phải dùng giá xả hoặc lồng xả để tao ra thẳng, không kéo tung tự do vì tao bật xoắn rất nguy hiểm và dễ gập gãy. Đoạn đã gập gãy phải cắt bỏ.
Thời gian chờ. Cáp đã luồn vào ống mà chưa căng, chưa bơm vữa trong thời gian dài là cáp đang rỉ trong bóng tối. Kế hoạch nên để cáp được luồn gần thời điểm căng nhất có thể, hoặc có biện pháp bảo vệ tạm theo chỉ dẫn.
Cáp dự ứng lực khác cáp thép cẩu, cáp thép mạ kẽm ở đâu
Người mới mua vật tư hay nhầm vì cùng gọi là "cáp thép". Cáp cẩu, cáp tời là cáp nhiều tao, mỗi tao nhiều sợi nhỏ, có lõi đay hoặc lõi thép, được làm để mềm, chịu uốn qua puly liên tục; cường độ từng sợi có thể cao nhưng cáp giãn nhiều do cấu trúc xoắn và không có chỉ tiêu chùng ứng suất. Cáp thép mạ kẽm dùng giằng néo, lan can có cấu tạo và tiêu chuẩn khác hẳn.
Tao dự ứng lực là cấu trúc đơn giản bảy sợi, sợi to, ít giãn do cấu trúc, được kiểm soát chặt về giới hạn chảy quy ước, mô đun đàn hồi và chùng ứng suất. Nó được làm để giữ một lực kéo rất lớn trong hàng chục năm ở chiều dài gần như không đổi, chứ không phải để chạy qua puly. Hai loại không thay thế nhau được theo bất kỳ chiều nào.
Khi mua, cách phân biệt nhanh là xem chứng chỉ có ghi tiêu chuẩn cáp dự ứng lực (như ASTM A416, JIS G 3536) và các chỉ tiêu chùng ứng suất hay không. Hàng chào bán là "cáp dự ứng lực" mà chứng chỉ chỉ ghi lực đứt chung chung, không có số mẻ thép, không có kết quả chùng, là hàng cần từ chối hoặc thí nghiệm đầy đủ trước khi bàn tiếp.
Câu hỏi thường gặp
Cáp 12,7 mm và 15,2 mm dùng khi nào?
Không có quy tắc cố định; người thiết kế chọn theo lực cần trong mỗi bó, kích thước ống, hệ neo và kích có sẵn. Tao 15,2 cho lực lớn hơn mỗi tao nên bó cần ít tao hơn, hay dùng cho dầm cầu nhịp lớn. Tao 12,7 gặp nhiều ở cấu kiện căng trước, sàn và bó nhỏ.
Cáp cấp 1860 có nghĩa là căng tới 1860 MPa?
Không. Đó là cường độ kéo đứt tối thiểu. Lực căng khi thi công chỉ bằng một phần cường độ này, theo giới hạn trong tiêu chuẩn thiết kế và con số cụ thể của hồ sơ dự án. Căng sát lực đứt là cực kỳ nguy hiểm và không tiêu chuẩn nào cho phép.
Cáp có rỉ nhẹ bề mặt còn dùng được không?
Lớp rỉ mỏng màu nâu đều, lau bằng giẻ khô là sạch và không để lại vết lõm thường được chấp nhận, thậm chí giúp bám dính tốt hơn một chút. Rỉ đã tạo vết rỗ, bong vảy hoặc nhìn thấy lõm trên sợi thì không dùng. Chỉ dẫn kỹ thuật của dự án là căn cứ cuối cùng.
Tiêu chuẩn ASTM A416 và JIS G 3536 có thay thế nhau được không?
Hai tiêu chuẩn có cỡ tao và cấp cường độ gần tương đương nhưng chi tiết chỉ tiêu, dung sai và phương pháp thử không hoàn toàn giống nhau. Thay tiêu chuẩn vật liệu so với hồ sơ thiết kế phải được đơn vị thiết kế và chủ đầu tư chấp thuận bằng văn bản, không tự đổi tại công trường.
Vì sao phải ghi cuộn cáp nào vào dầm nào?
Để truy vết. Nếu sau này một lô bị phát hiện có vấn đề, biết được cuộn đó nằm ở dầm nào giúp khoanh vùng kiểm tra thay vì nghi ngờ cả cây cầu. Việc ghi chép này gần như không tốn thêm chi phí nhưng rất có giá trị khi có sự cố.
Cáp mua về cuộn lớn có tự cắt ngắn để bán lẻ được không?
Cắt bằng máy cắt đá thì được về kỹ thuật, nhưng đoạn cắt rời khỏi cuộn sẽ mất thẻ nhận dạng và khó chứng minh nguồn gốc. Với công trình cần hồ sơ, người mua nên yêu cầu bản sao chứng chỉ ghi rõ số cuộn gốc và biên bản cắt chia.