Cáp dự ứng lực là gì? Đặc điểm, ứng dụng và tiêu chuẩn cần biết

Bê tông chịu nén rất tốt nhưng chịu kéo kém. Cốt thép thường giúp bù phần chịu kéo, nhưng khi nhịp dầm dài hoặc sàn mỏng, cách làm đó bắt đầu lộ giới hạn: dầm võng, bê tông nứt, tiết diện phải tăng lên rất lớn. Kỹ thuật dự ứng lực ra đời để giải bài toán này, và cáp dự ứng lực chính là vật liệu làm nên nó.

Cáp dự ứng lực không phải là loại thép có thể mua theo cảm tính. Đây là vật liệu cường độ rất cao, làm việc ở mức ứng suất lớn trong suốt tuổi thọ công trình. Bài viết này giải thích cáp dự ứng lực là gì, đặc điểm kỹ thuật, các ứng dụng phổ biến và những tiêu chuẩn cần nắm khi đặt mua, nghiệm thu.

Cáp dự ứng lực là gì?

Cáp dự ứng lực, còn gọi là cáp PC (prestressed concrete) hay tao cáp, phổ biến nhất ở dạng tao 7 sợi: một sợi thép lõi thẳng ở giữa, sáu sợi xoắn quanh theo hình xoắn ốc. Các sợi được kéo nguội từ thép carbon cao, sau đó xử lý nhiệt – cơ để giảm độ tự chùng ứng suất.

Nguyên lý dự ứng lực là tạo trước trong bê tông một ứng suất nén bằng cách kéo căng cáp rồi neo giữ lại. Khi cấu kiện chịu tải, ứng suất nén có sẵn này triệt tiêu phần lớn ứng suất kéo, giúp bê tông hạn chế nứt và cấu kiện vượt được nhịp lớn hơn với tiết diện nhỏ hơn.

Có hai phương pháp chính:

• Căng trước: cáp được kéo căng trên bệ trước khi đổ bê tông. Khi bê tông đủ cường độ, cáp được cắt và lực truyền vào bê tông qua lực bám dính. Thường dùng trong nhà máy đúc dầm, cọc, tấm sàn.
• Căng sau: cáp luồn trong ống gen đặt sẵn, kéo căng sau khi bê tông đã đông cứng và neo ở hai đầu bằng đầu neo. Dùng cho dầm cầu đúc tại chỗ, sàn nhà cao tầng, bể chứa.

Đặc điểm kỹ thuật của cáp dự ứng lực

So với thép cốt bê tông thông thường, cáp dự ứng lực có cường độ cao gấp khoảng ba đến bốn lần. Loại thông dụng nhất hiện nay có giới hạn bền kéo 1.860 MPa (cấp 270 theo ASTM A416). Các đặc tính quan trọng gồm:

• Cường độ chịu kéo rất cao: cho phép dùng ít thép hơn để tạo lực nén lớn.
• Độ tự chùng thấp: cáp loại tự chùng thấp chỉ mất tối đa 2,5% lực sau 1.000 giờ khi giữ ở mức 70% lực kéo đứt, giúp giảm tổn hao ứng suất theo thời gian.
• Độ giãn dài khi đứt: tối thiểu 3,5%, đảm bảo cáp không đứt giòn.
• Bề mặt sạch: không dính dầu mỡ, không gỉ tróc để đảm bảo lực bám dính với bê tông hoặc vữa.

Bảng thông số tham khảo của tao cáp 7 sợi cấp 270 theo ASTM A416:

Trên thị trường Việt Nam, hai cỡ 12,7 mm và 15,2 mm chiếm phần lớn khối lượng giao dịch. Cáp thường được cuộn thành cuộn nặng khoảng 2,5 – 3,5 tấn, đường kính trong đủ lớn để cáp không bị biến dạng dư.

Ứng dụng của cáp dự ứng lực

Cáp dự ứng lực xuất hiện ở nhiều loại công trình quen thuộc:

• Cầu: dầm Super T, dầm I, dầm hộp đúc hẫng, bản mặt cầu. Đây là lĩnh vực tiêu thụ cáp lớn nhất.
• Nhà cao tầng: sàn phẳng không dầm căng sau giúp giảm chiều cao tầng, tăng không gian thông thuỷ và rút ngắn tiến độ.
• Cấu kiện đúc sẵn: tấm sàn rỗng, dầm nhà xưởng, cột điện ly tâm.
• Công trình thuỷ và bể chứa: bể nước, silo, bồn chứa hình trụ được quấn cáp vòng để chống nứt.
• Neo trong đất đá: neo tường chắn, neo mái taluy, gia cố hố đào sâu.

Với sàn căng sau, còn có loại cáp không bám dính, được bọc mỡ chống ăn mòn và vỏ nhựa HDPE. Loại này thi công nhanh, không cần bơm vữa, nhưng yêu cầu đầu neo và chi tiết bảo vệ chặt chẽ hơn.

Tiêu chuẩn cần biết

Khi đọc hồ sơ thiết kế hoặc chứng chỉ chất lượng, bạn sẽ gặp một số tiêu chuẩn sau:

1. ASTM A416/A416M: tiêu chuẩn Mỹ cho tao cáp 7 sợi không phủ, dùng phổ biến nhất tại Việt Nam, đặc biệt trong các dự án cầu.
2. TCVN 6284: bộ tiêu chuẩn Việt Nam về thép cốt bê tông dự ứng lực, trong đó có phần quy định cho dạng tao, xây dựng trên cơ sở tiêu chuẩn ISO 6934.
3. BS 5896: tiêu chuẩn Anh, gặp trong các dự án theo hệ tiêu chuẩn châu Âu.
4. JIS G3536: tiêu chuẩn Nhật cho sợi và tao thép dự ứng lực, thường ghi mác SWPR7B.

Hệ thống dự ứng lực gồm nhiều thành phần khác ngoài cáp: đầu neo, nêm, ống gen, vữa bơm. Các thành phần này cũng phải được kiểm định tương thích với loại cáp sử dụng, thường theo các hướng dẫn chấp thuận kỹ thuật cho hệ căng sau.

Kiểm soát lực căng tại hiện trường

Chất lượng cáp tốt chưa đủ nếu khâu căng kéo làm sai. Lực căng được kiểm soát đồng thời bằng hai cách: đọc áp lực trên đồng hồ kích (đã hiệu chuẩn) và đo độ giãn dài thực tế của cáp. Nếu độ giãn dài đo được lệch quá phạm vi cho phép so với tính toán, thường khoảng ±6% tuỳ quy định của dự án, phải dừng lại tìm nguyên nhân: ma sát trong ống gen lớn bất thường, kích sai số, hoặc mô đun đàn hồi thực tế của lô cáp khác với giá trị dùng trong tính toán.

Chính vì vậy, mô đun đàn hồi ghi trên chứng chỉ của từng lô cáp cần được chuyển cho đơn vị thiết kế và nhà thầu căng kéo trước khi thi công. Đây là chi tiết nhỏ nhưng thường bị bỏ qua, dẫn tới tranh cãi khi nghiệm thu.

Lưu ý khi nghiệm thu và bảo quản

Cáp dự ứng lực nhạy cảm với ăn mòn hơn thép thường vì làm việc ở ứng suất cao; một vết rỗ gỉ nhỏ có thể trở thành điểm khởi đầu của phá huỷ. Khi nhận hàng và lưu kho, cần chú ý:

• Đối chiếu tem cuộn với chứng chỉ chất lượng: số cuộn, số mẻ, đường kính, cấp bền.
• Lấy mẫu thí nghiệm kéo, đo lực kéo đứt, độ giãn dài, mô đun đàn hồi theo tần suất quy định của dự án.
• Kê cuộn cáp cách mặt đất, che phủ kín, tránh nước mưa và hơi muối.
• Không để cáp gần khu vực hàn cắt; tia lửa hàn hoặc dòng điện hàn chạm vào có thể làm giảm cường độ cục bộ.
• Chỉ cắt cáp bằng máy cắt đĩa, không dùng nhiệt.
• Dùng cáp theo thứ tự nhập kho để hạn chế thời gian lưu kho.

Nếu cáp chỉ có một lớp gỉ mỏng dạng bụi, lau đi là hết, thường vẫn chấp nhận được. Cáp gỉ tạo vảy hoặc rỗ bề mặt phải loại bỏ, kể cả khi lô hàng đó đã được thanh toán, vì chi phí sửa chữa một dầm cầu cao hơn rất nhiều lần giá trị cuộn cáp.

Kết luận

Cáp dự ứng lực là vật liệu nhỏ về khối lượng nhưng quyết định an toàn của cả cấu kiện. Trước khi đặt hàng, hãy xác định rõ đường kính, cấp bền, tiêu chuẩn và loại cáp (bám dính hay không bám dính) theo thiết kế. Yêu cầu nhà cung cấp gửi chứng chỉ chất lượng mẫu và kết quả thí nghiệm, lên kế hoạch lấy mẫu kiểm tra độc lập, và chuẩn bị sẵn khu vực lưu kho khô ráo trước khi hàng về.