Bê tông thép là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa bê tông thép

Bê tông thép (reinforced concrete) là vật liệu composite kết hợp khả năng chịu nén cao của bê tông với khả năng chịu kéo, uốn và cắt tốt của thép. Trong cấu kiện bê tông thép, bê tông và thép hoạt động cộng hưởng theo nguyên lý ứng lực chia sẻ: bê tông chịu áp lực nén, thép chịu ứng suất kéo.

Khái niệm này được giới thiệu đầu thế kỷ 20 và nhanh chóng trở thành vật liệu chủ đạo trong xây dựng khung nhà, dầm, cột, tấm sàn và hạ tầng cầu đường. Bê tông bảo vệ cốt thép khỏi oxy hóa, trong khi cốt thép gia cố khả năng chịu uốn, kéo và chống vết nứt, tạo nên vật liệu đa năng, bền vững.

Theo American Concrete Institute (ACI), bê tông thép phải đảm bảo tỉ lệ cốt thép thích hợp, độ che phủ bê tông tối thiểu và chất lượng bê tông đạt yêu cầu về độ bền nén và độ dẻo dai.

Thành phần cấu tạo

Hỗn hợp bê tông thép gồm hai pha chính:

• PHA BÊ TÔNG: bao gồm xi măng Portland, cốt liệu thô (sỏi, đá dăm) và cốt liệu mịn (cát), nước và phụ gia hóa học (retarder, superplasticizer) để điều chỉnh thời gian đông kết và độ chảy.
• PHA CỐT THÉP: thanh thép trơn hoặc ren, thanh thép gân (ribbed bar) có đường kính thông dụng từ Φ6 đến Φ40 mm, thép lưới hàn hoặc lưới gia cố sàn.

Thể tích bê tông chiếm khoảng 70–80% tổng thể tích, trong khi cốt thép thường chiếm 1–4% tuỳ theo thiết kế và tải trọng.

Cơ chế liên kết giữa bê tông và thép

Liên kết bê tông–thép đảm bảo chuyển ứng suất hiệu quả giữa hai pha, gồm ba thành phần chính:

• Góc bám dính (adhesion): lực hút hoá học và lực mao dẫn giữa bề mặt bê tông và cốt thép.
• Ma sát (friction): lực cản trượt do áp lực bên ngoài ép bê tông lên thép.
• Khóa cơ học (mechanical interlock): gân dọc và gân ngang trên thanh thép giúp bê tông “khóa” thép, ngăn trượt.

Theo tiêu chuẩn ACI 318, ứng suất bám dính cực đại tính theo công thức:

$τ_b = 0.5\sqrt{f'_c}$, trong đó τb (psi) là ứng suất bám dính thiết kế, f′c (psi) là độ bền nén của bê tông.

Khoảng cách tối thiểu giữa các thanh và lớp đầm bê tông đảm bảo bê tông chảy đều, tránh hiện tượng “có múi” quanh thanh thép, giúp liên kết đồng nhất.

Tính chất cơ lý

Bê tông: khả năng chịu nén cao (độ bền nén f′c điển hình 20–50 MPa), độ cứng (Ec≈25 GPa), nhưng dẻo dai thấp và gần như không chịu kéo.

Thép: chịu kéo tốt với độ bền kéo fy≈400–600 MPa, mô đun đàn hồi Es≈200 GPa, có biến dạng dẻo khi vượt giới hạn chảy.

Khi kết hợp, bê tông thép có mẫu ứng suất–biến dạng (σ–ε) tổng hợp: trong giai đoạn đầu, bê tông và thép cùng chịu ứng suất tuyến tính; khi nứt bê tông, thép tiếp tục chịu kéo, đảm bảo khả năng chịu tải sau khởi phát vết nứt.

Thiết kế và tính toán

Thiết kế bê tông thép tuân thủ nguyên tắc phân chia ứng suất: bê tông chịu nén, cốt thép chịu kéo. Tải trọng tác dụng gồm tải trọng cố hữu (dead load) và tải trọng sống (live load) theo tiêu chuẩn ACI 318 và Eurocode 2. Đối với dầm chịu uốn, moment kháng nén tính bằng:

$M_n = A_s f_y \bigl(d - \frac{a}{2}\bigr),$ trong đó As là diện tích cốt thép, fy là ứng suất chảy thép, d là cao độ cốt thép, a là độ sâu trung hòa (a=β1c). ACI Flexure Calculator

Tỷ lệ cốt thép tối thiểu và tối đa xác định theo:

• $\rho_{\min} = \frac{3\sqrt{f'_c}}{f_y}$ để tránh giãn nở đột ngột.
• $\rho_{\max} = 0.75\rho_{b},$ trong đó $\rho_b$ là tỷ lệ theo giới hạn cân bằng.

Thiết kế cắt (shear) sử dụng cốt đai (stirrups) và bê tông chịu cắt Vc:
$V_n = V_c + V_s = 0.17\sqrt{f'_c} b_w d + \frac{A_v f_y d}{s},$ trong đó Av và s là diện tích và bước cốt đai.

Phương pháp gia công và thi công

Gia công cốt thép bắt đầu từ công tác cắt, uốn theo bản vẽ thi công, thường dùng máy uốn và bàn cắt chuyên dụng. Khoảng chồng nối (lap splice) tối thiểu theo ACI 318 phải ≥40 d (d là đường kính thép), đảm bảo chuyển lực liên tục.

Công tác đổ bê tông yêu cầu đánh giá độ chảy (slump) theo ASTM C143, thường từ 75–100 mm cho sàn, 100–150 mm cho cấu kiện tường. Quá trình đầm (vibrating) bằng dùi cơ để loại bỏ bọt khí và tối ưu liên kết bê tông–thép.

Chăm sóc (curing) tối thiểu 7 ngày với nhiệt độ ≥10 °C và độ ẩm ≥95% hoặc sử dụng màng curing compound để ngăn thoát hơi nước. Curing đầy đủ giúp đạt ≥70% cường độ thiết kế vào ngày thứ 7 và ≥100% vào ngày 28. Portland Cement Association – Curing

Ứng dụng thực tế

Bê tông thép là vật liệu chủ đạo trong công trình dân dụng: khung nhà cao tầng, tấm sàn phẳng, vách chịu lực. Sàn phẳng (flat slab) giúp giảm chiều cao tầng và tăng tính linh hoạt cho bố trí không gian.

Trong hạ tầng giao thông, bê tông thép ứng dụng cho cầu cạn, dầm cầu, trụ cầu, nền đường cao tốc; bê tông cốt thép dự ứng lực (prestressed concrete) mở nhịp dài, giảm số trụ giữa vực. Ví dụ cầu vượt thép-bê tông tại Hoa Kỳ thường dùng cấu kiện I-girder hoặc box girder dự ứng lực.

Ứng dụng khác bao gồm đập thuỷ điện, bể chứa nước, hệ thống thoát nước ngầm và hầm chui. Bê tông cốt thép có khả năng kháng axit, ăn mòn khi kết hợp phụ gia chống thấm và lớp bảo vệ anode đồng tấm dự phòng. fib Model Code

Ưu điểm và hạn chế

Ưu điểm: khả năng chịu nén cao, chi phí vật liệu rẻ, dễ gia công tại hiện trường, linh hoạt tạo hình dạng phức tạp, tuổi thọ dài nếu bảo dưỡng đúng cách. Bê tông thép không dẫn điện và không cháy.

Hạn chế: trọng lượng lớn tăng tải cho móng, dễ nứt do co ngót và biến dạng nhiệt, cốt thép dễ ăn mòn trong môi trường muối, kiềm và CO₂. Yêu cầu bảo dưỡng curing khắt khe và kiểm soát độ che phủ bê tông.

• Co ngót khô: 400–700 µm/m.
• Giãn nở nhiệt: 10–12 µm/m·°C, tương đương thép.
• Yêu cầu bảo vệ anode trong môi trường ăn mòn.

Chuẩn mực và quy chuẩn

• ACI 318-19: Building Code Requirements for Structural Concrete. https://www.concrete.org
• EN 1992-1-1 Eurocode 2: Design of Concrete Structures. https://standards.cen.eu
• TCVN 5574:2012: Bê tông cốt thép – Thiết kế (Việt Nam).
• ASTM C150: Standard Specification for Portland Cement. https://www.astm.org
• BS 8110: Structural Use of Concrete. British Standards Institution.

Tài liệu tham khảo

• American Concrete Institute. ACI 318-19: Building Code Requirements for Structural Concrete. ACI; 2019.
• European Committee for Standardization. EN 1992-1-1 Eurocode 2: Design of Concrete Structures. CEN; 2004.
• Portland Cement Association. “Guide to Curing Concrete.” https://www.cement.org
• fib. Model Code for Concrete Structures 2010. fib; 2010.
• ASTM International. ASTM C150/C150M: Standard Specification for Portland Cement. ASTM; 2020.
• TCVN 5574:2012. Bê tông cốt thép – Thiết kế. Bộ Xây dựng Việt Nam; 2012.