Giới thiệu công nghệ bê tông cốt thép ứng lực là gì? ưu và nhược điểm của loại

Bê tông dự ứng lực là gì?

Trước hết chúng ta sẽ đi tìm hiểu những thông tin cơ bản nhất về công nghệ bê tông dự ứng lực:

Khái niệm

Bê tông dự ứng lực còn được gọi với nhiều cái tên khác nhau như bê tông cốt thép ứng lực trước hay bê tông tiền áp. Đây là một công nghệ kết cấu bê tông cốt thép là sự kết hợp sử dụng ứng lực trước với cường độ rất căng của cốt thép.

Lịch sử bê tông dự ứng lực

Công nghệ bê tông dự ứng lực được phát minh từ một kỹ sư người Pháp là Eugene Freyssinet. Vào năm 1928, ông đã sử dụng các sợi thép có cường độ cao để nén bê tông. Trước đó, các thử nghiệm về việc chế tạo bê tông dự ứng lực bằng cốt thép cường độ thường không được thành công.

Nguyên nhân là do sau khi được nén trước, bê tông tiếp tục co ngắn lại theo thời gian do từ biến và co ngót. Khi đó giữa từ biến và co ngót có thể phát sinh một dạng co vào khoảng 1‰. Đối với cốt thép thường, do có cường độ thấp nên không thể được kéo để tạo ứng lực với biến dạng giãn lớn hơn 1,5‰.

Theo đó trong các lần thử ban đầu để có thể tạo ra dự ứng trong bê tông, đã có ⅔ dự ứng trong cốt thép để bị mất đi do từ biến và co ngót. Ngược lại, các sợi thép có cường độ cao có thể bị biến dạng bằng khoảng 7‰ khi tạo dự ứng lực. Và ngay cả khi bị mất đi 1‰, vẫn còn lại 6/7 dự ứng lực.

Để có thể làm giảm sự mất mát do từ biến và co ngót cũng tạo ra dự ứng lực nén ở mức cao nhất. Freyssinet cho rằng không nên chỉ sử dụng cốt thép ở cường độ cao mà phải sử dụng cả bê tông ở cường độ cao.

Sau khi thực hiện thành công bê tông dự ứng lực trong công trình đầu tiên. Công nghệ bê tông này đã được ứng dụng ở nhiều nơi trên thế giới. Ở Việt Nam, hầu hết các công trình lớn đều được sử dụng phương pháp này.

Người phát minh ra công nghệ dự ứng lực

Các loại bê tông dự ứng lực

Dựa vào đặc điểm bê tông dự ứng lực được chia thành hai loại đó là bê tông dự ứng lực căng trước và căng sau. Chúng có thể dễ dàng phân biệt như sau:

Bê tông dự ứng lực căng trước

Thường được đúc tại các nhà máy hoặc các bãi đúc. Và chờ cho đủ cường độ sẽ được kéo cáp dự ứng lực. Khi cần sử dụng sẽ được chở tới công trường và lắp ghép vào.

Ưu điểm: Đây là loại bê tông dự ứng lực có chất lượng tốt (đặc biệt là khi được đúc ở nhà máy và được sản xuất hàng loạt). Điều này sẽ khiến cho công đoạn thi công diễn ra nhanh chóng hơn.

Khuyết điểm: Do đã được đúc sẵn tại các nhà máy nên công đoạn vận chuyển khá là bất tiện. Nhất là với các cấu kiện lớn như dầm cầu, chi phí vận chuyển sẽ cao hơn, mỗi nối cần kiểm tra kỹ.

Xem thêm: Tưng bừng lễ hội bia đức oktoberfest, tìm hiểu văn hóa đức trong lễ hội bia oktoberfest

Bê tông dự ứng lực căng trước

Bê tông dự ứng lực căng sau

Đúng như tên gọi, loại bê tông dự ứng lực này sẽ được đúc ngay tại công trường thường có đặt cáp sẵn khi đi thép. Khi đã chờ đủ cường độ thì kéo cáp.

Ưu điểm: Do được đúc ngay tại công trường nên sẽ hạn chế được chi phí vận chuyển.

Khuyết điểm: Tuy nhiên nó cần phải kiểm soát thật kỹ nếu không sẽ dễ gặp phải các sự cố khi kéo cáp như tuột neo, đứt cáp, nổ dầm,… Khi đó sự cố sẽ rất khó xử lý, khiến cho tốc độ thi công chậm hơn căng trước do phải chờ bê tông đủ cường độ mới có thể kéo cáp được.

Bê tông dự ứng lực căng sau

Nguyên lý làm việc của bê tông dự ứng lực

Trong bê tông cốt thép ứng lực trước, cốt thép cường độ cao là nguyên liệu có thể làm tăng độ dẻo của hỗn hợp bê tông. Chúng sẽ được kéo căng bằng máy kéo với ứng suất trước. Khi ứng suất trước đạt giá trị cụ thể được thiết kế trước và nằm trong khoảng đàn hồi sẽ được dừng.

Đặc biệt, cốt thép đồng thời được ứng suất trước và chịu sức nén để tạo nên kết cấu biến dạng ngược với trước và khi chịu tải. Nhờ vào kết cấu khác biệt hoàn toàn với bê tông cốt thép truyền thống mà nó có khả năng chịu tải gấp nhiều lần.

Ưu điểm nổi bật của bê tông dự ứng lực

Bê tông tiền áp ngày càng được ứng dụng nhiều trong các công trình lớn. Bởi nó sở hữu nhiều ưu điểm như:

Độ cứng khung sàn lớn hơn nhiều lần so với bê tông truyền thống

Sử dụng bê tông ứng lực sẽ giúp tiết kiệm nguyên liệu lên đến 80% nhưng lại làm tăng chi phí bê tông cường độ cao, neo, thép cường độ cao và rất nhiều thiết bị khác. Khi kết cầu phần khung sàn càng lớn thì độ cứng khung sàn bê tông ứng lực lại nhỏ hơn dầm. Vậy nên khi so sánh với bê tông truyền thống thì nó có độ cứng lớn hơn rất nhiều.

Độ cứng khung sàn lớn hơn nhiều lần so với bê tông truyền thống

Tiết kiệm nguyên liệu, chi phí

Chính đặc thù khi sản xuất bê tông dự ứng trước đã giúp cho việc xây dựng phần móng hay phần phía trên của công trình được giảm nguyên liệu xây dựng. Thực tế nó có thể giảm giá thành tối đa lên đến 40% so với khi áp dụng công nghệ truyền thống.

Theo đó, bê tông tiền áp có khả năng vượt nhịp lên đến 20m. Nhưng nhịp 8 -12m vẫn được cho là hiệu quả nhất và được các chuyên gia xây dựng nhận định kết cấu nhịp không quá lớn.

Vậy nên việc sử dụng công nghệ bê tông này luôn rẻ hơn so với bê tông truyền thông. Nhất là khi nó có thể tạo ra nhiều không gian hơn khi sử dụng cùng một nguyên liệu, khi thi công không cần phải sử dụng khuôn ván sàn. Từ đó giúp tiết kiệm chi phí một cách tối đa.

Tiết kiệm thời gian

Trong quá trình thi công, bê tông cốt thép dự ứng lực cần ít bê tông hơn. Tuy nhiên vẫn phải đảm bảo độ đàn hồi và độ ứng tốt hơn bê tông truyền thống. Do đó việc tháo dỡ cốp pha có thể diễn ra sớm hơn. Từ đó rút ngắn thời gian thi công, đầy nhanh tiến độ, kết thúc dự án.

Mặc dù có thể đẩy nhanh tiến độ công trình nhưng vẫn cần phải đảm bảo kỹ thuật, mỹ thuật và chất lượng của công trình. Hiện nay trên các quốc gia lớn trên thế, đặc biệt là Châu Âu có đến 70% đều vượt tiến độ do được áp dụng công nghệ này. Do đó nó được đánh giá rất cao và được cho là phương pháp tối ưu trong lĩnh vực xây dựng hiện nay.

Tiết kiệm thời gian

Được ứng dụng rộng rãi

Bên cạnh ưu điểm có thể tiết kiệm được thời gian lại vừa tiết kiệm được nguyên liệu, giúp tối ưu chi phí xây dựng. Phương pháp này có thể dễ dàng ứng dụng trong nhiều công trình khác nhau từ dân dụng, xây dựng đến công nghiệp.

So sánh bê tông dự ứng lực và bê tông cốt thép thường

Sự khác biệt giữa hai loại kết cấu này chính là việc sử dụng cường độ cao cho bê tông dự ứng lực. Để có thể khai thác được thép có cường độ cao buộc phải sử dụng dự ứng lực. Dưới đây là phần so sánh bê tông dự ứng lực và bê tông cốt thép thường:

Tính khai thác

Kết cấu bê tông dự ứng lực sẽ thích hợp với kết cấu nhịp lớn, chịu tải trọng lớn. Bên cạnh đó nó có lực mảnh nên phù hợp với yêu cầu khách quan. Cho phép tạo ra một khoảng tịnh không lớn. Hơn nữa nó rất ít bị nứt và có khả năng hồi phục vết nứt khi tải trọng đi qua.

Độ võng do tĩnh tải nhỏ hơn độ vồng được tạo ra bởi dự ứng lực. Độ võng do hoạt tải cũng nhỏ hơn do mặt cắt có hiệu không nứt có độ cứng lớn hơn hai đến ba lần mặt cắt đã nứt. Kết cấu bê tông tiền áp sẽ phù hơn so với kết cấu lắp ghép do có trọng lượng nhỏ hơn.

Tuy nhiên trong một số trường hợp, kết cấu có yêu cầu trọng lượng và khối lượng lớn. Lúc này bê tông cốt thép dự ứng lực sẽ còn lợi thế và bê tông cốt thép thường sẽ thích hợp hơn.

Độ an toàn

Thực tế độ an toàn sẽ phụ thuộc nhiều vào việc thiết kế và xây dựng hơn dạng của nó. Tuy nhiên ở bê tông dự ứng lực cũng có ưu điểm về độ an toàn. Trong quá trình tạo dự ứng lực, người ta đã thức nghiệm trên cả bê tông và cốt dự ứng lực. Khi đó cả hai đều phải chịu các ứng suất lớn nhất. Vậy nên khi chúng có thể vượt qua thử thách này cũng sẽ có đủ khả năng chịu các tác động trong khi khai thác.

Khi được thiết kế theo phương pháp hiện nay, kết cấu dự ứng lực có khả năng chịu các vượt tải bằng hoặc hơi cao hơn so với bê tông cốt thép thường. Đối với các thiết kế thông thường, chúng sẽ có độ võng lớn hơn trước khi bị phá hoại Bên cạnh đó bê tông dự ứng lực cũng có khả năng chịu được các tác động va chạm.

Thử nghiệm tác động được lặp lại trên bê tông cốt thép thường. Dễ thấy khả năng chống rỉ của bê tông dự ứng lực cao hơn so với bê tông cốt thép thường do chúng ít bị nứt và chất lượng của bê tông cũng được dùng trong kết cấu dự ứng lực cao hơn.

Nếu như xuất hiện các vết nứt, tác động của rỉ liên kết cấu bê tông dự ứng lực sẽ trở nên nghiêm trọng hơn so với kết cấu bê tông cốt thép thông thường. Thép sẽ chịu ứng suất cao hơn trong các kết cấu bê tông dự ứng và nhạy với các tác động hỏa hoạn hơn so với cốt thép thường.

Vậy nên so với kết cấu bê tông thường, kết cấu bê tông dự ứng đòi hỏi phải có sự cẩn thận hơn trong thiết kế và xây dựng. Bởi vậy liệu có cường độ cao hơn, mặt cắt nhỏ hơn, phần kết cấu mảnh hơn.

Tính kinh tế

Như đã nói ở trên kết cấu bê tông dự ứng thường sử dụng ít vật liệu do sử dụng vật liệu có cường độ cao hơn. Phần cốt thép đai trong kết cấu cũng được tối ưu do sức kháng cắt của bê tông cao hơn và cốt dự ứng lực xiên góp phần chịu lực cắt. Việc giảm đi kích thước mặt cắt khiến giảm tĩnh tải và chiều cao kiến trúc. Từ đó giúp tiết kiệm được nguyên vật trong các bộ phận, tối ưu chi phí. Ở các kết cấu lắp ghép, dự ứng lực cũng góp phần làm giảm đi khối lượng vận chuyển.

Mặc dù đem lại hiệu quả kinh tế ca, nhưng kết cấu bê tông dự ứng lực cũng không nên sử dụng trong các công trình. Bởi vật liệu có cường độ cao thường có đơn giá cao hơn. Bên cạnh đó kết cấu dự ứng lực đòi hỏi nhiều hệ thống trang thiết bị và vật liệu phụ trợ hơn như neo, ống gen, vữa bơm,…

Tiếp đến hệ thống ván khuôn cũng tốn kém hơn do mặt cắt của các cấu kiện dự ứng lực có độ phức tạp hơn. Đặc biệt trong thiết kế cũng như trong thi công cần đội ngũ nhân lực có trình độ cao hơn. Công tác giám sát trong thi công ứng lực cũng phải được thực hiện chu đáo, tỉ mỉ hơn. Vậy nên có thể phát sinh thêm chi phí phụ thuộc vào kinh nghiệm của kỹ sư và công nhân.

Ứng dụng của bê tông dự ứng lực

Nhờ áp dụng công nghệ mới trong quá trình thi công xây dựng giúp tiết kiệm được thời gian và giảm giá thành công trình, tăng độ bền vững cho công trình luôn là nỗi trăn trở của các chủ đầu tư. Do đó nhiều người đã lựa chọn công nghệ bê tông cốt thép dự ứng lực.

Công nghệ này được ứng dụng trong nhiều công trình lớn như: Đường cao tốc, cầu, hầm mỏ, đường ống áp lực, kho chứa, tòa nhà cao tầng, công trình dân dụng, nhà máy điện hạt nhân,…

Ứng dụng của bê tông dự ứng lực