Cường độ ép chẻ là gì? Các nghiên cứu về Cường độ ép chẻ

Định nghĩa cường độ ép chẻ

Cường độ ép chẻ (còn gọi là cường độ kéo khi ép chẻ hoặc cường độ kéo gián tiếp) là đại lượng cơ lý phản ánh khả năng chịu kéo của vật liệu xây dựng khi chịu ứng suất kéo phân bố gián tiếp qua lực nén tác dụng dọc theo đường kính mẫu trụ. Đây là phương pháp thông dụng nhằm xác định khả năng chịu kéo của bê tông, bê tông nhựa và các vật liệu hạt liên kết, thay thế cho thí nghiệm kéo trực tiếp vốn khó thực hiện do sự phức tạp trong khâu gá kẹp mẫu và truyền tải lực kéo.

Trong thí nghiệm, một mẫu vật liệu dạng trụ (hoặc hình trụ ngắn) được đặt nằm ngang giữa hai tấm đệm trong máy nén. Lực nén được áp dụng dọc theo trục nằm ngang của mẫu khiến cho ứng suất kéo phát triển theo mặt phẳng thẳng đứng qua trục, dẫn đến sự phá hủy mẫu theo mặt phẳng này. Phá hủy xảy ra không do nén mà do kéo, do đó, lực nén tác động tạo ra một trạng thái ứng suất kéo gián tiếp.

Cường độ ép chẻ là đại lượng được tính toán dựa trên giá trị tải trọng phá hủy cực đại và kích thước hình học của mẫu. Việc xác định đại lượng này có ý nghĩa lớn trong việc đánh giá chất lượng kết cấu chịu kéo trong thực tế như mặt đường bê tông nhựa, tấm bê tông sợi, hoặc cấu kiện bê tông chịu uốn.

Ý nghĩa và ứng dụng của cường độ ép chẻ

Việc xác định cường độ ép chẻ mang lại nhiều lợi ích trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng và vật liệu. Đây là chỉ tiêu phản ánh mức độ kháng kéo của vật liệu, từ đó cho phép đánh giá gián tiếp các tính chất kết cấu liên quan đến độ bền và độ ổn định. Đặc biệt trong trường hợp vật liệu chịu kéo như bê tông nhựa hoặc các cấu kiện bê tông ứng suất trước, kiểm soát chỉ tiêu này là cực kỳ quan trọng.

Phương pháp ép chẻ cho phép khắc phục các khó khăn của thí nghiệm kéo trực tiếp, trong đó việc truyền lực kéo một cách đồng đều và tránh sai số do kẹp mẫu là rất khó kiểm soát. Với lực nén phân bố đều qua đệm, phương pháp ép chẻ cho kết quả tin cậy, đơn giản và được chuẩn hóa trong nhiều tiêu chuẩn quốc tế.

Các ứng dụng thực tế phổ biến của phương pháp này bao gồm:

• Đánh giá chất lượng hỗn hợp bê tông nhựa trong thiết kế và kiểm tra đường ô tô.
• Thử nghiệm bê tông sợi để kiểm tra tính năng cơ học chịu kéo.
• Kiểm định chất lượng đất gia cố xi măng, vữa xây và các vật liệu hạt liên kết.

Tiêu chuẩn áp dụng

Cường độ ép chẻ được quy định rõ ràng trong nhiều bộ tiêu chuẩn kỹ thuật nhằm đảm bảo tính lặp lại và độ tin cậy khi sử dụng trong kiểm nghiệm hoặc nghiên cứu. Mỗi tiêu chuẩn định nghĩa cụ thể về kích thước mẫu, tốc độ gia tải, môi trường bảo dưỡng và điều kiện thử.

Một số tiêu chuẩn chính hiện hành:

• TCVN 8862:2011 – Tiêu chuẩn Việt Nam quy định phương pháp xác định cường độ kéo khi ép chẻ đối với vật liệu hạt liên kết bằng chất kết dính.
• ASTM C496/C496M – Tiêu chuẩn quốc tế được sử dụng phổ biến trong ngành xây dựng ở Mỹ và nhiều quốc gia, áp dụng cho bê tông hình trụ với đường kính chuẩn 150 mm và chiều cao 300 mm.

So sánh nhanh các tiêu chuẩn:

Tiêu chuẩn	Phạm vi áp dụng	Đơn vị sử dụng	Chi tiết
TCVN 8862:2011	Vật liệu hạt liên kết	Việt Nam	Bao gồm mẫu hạt và bê tông nhựa
ASTM C496	Bê tông xi măng	Quốc tế	Chỉ định tải trọng phá hủy ±5%

Việc tuân thủ tiêu chuẩn phù hợp không chỉ đảm bảo kết quả chính xác mà còn cho phép so sánh kết quả giữa các phòng thí nghiệm, khu vực hoặc quốc gia một cách khách quan.

Nguyên lý và công thức tính

Nguyên lý cơ bản của phép thử ép chẻ là sử dụng lực nén theo phương ngang để tạo ứng suất kéo chính trong mặt phẳng đứng của mẫu. Khi ứng suất kéo vượt quá giới hạn chịu kéo của vật liệu, mẫu sẽ phá hủy theo mặt cắt thẳng đứng đi qua trục mẫu. Cơ chế này khai thác mối quan hệ giữa lực nén và ứng suất kéo để tính toán gián tiếp khả năng chịu kéo.

Giá trị cường độ ép chẻ được xác định bằng công thức:

$R_t = \frac{2P}{\pi d l}$

• R_t: Cường độ kéo khi ép chẻ (MPa)
• P: Tải trọng phá hủy cực đại (N)
• d: Đường kính mẫu trụ (mm)
• l: Chiều dài mẫu (mm)

Ví dụ thực tế: Một mẫu trụ bê tông có đường kính 150 mm, chiều dài 300 mm, khi phá hủy dưới tải trọng 120 kN thì cường độ ép chẻ là:

$R_t = \frac{2 \times 120000}{\pi \times 150 \times 300} \approx 1.7 \, \text{MPa}$

Công thức này giúp đơn giản hóa quá trình tính toán và được tích hợp sẵn trong nhiều phần mềm kiểm tra vật liệu, cũng như quy trình thí nghiệm tiêu chuẩn quốc tế.

Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm

Để tiến hành thí nghiệm xác định cường độ ép chẻ một cách chính xác, cần trang bị đầy đủ các thiết bị chuyên dụng theo tiêu chuẩn kỹ thuật. Thiết bị cần có khả năng tạo và kiểm soát lực nén lớn, đồng thời phân bố tải đều trên mẫu để đảm bảo kết quả phản ánh đúng khả năng chịu kéo gián tiếp của vật liệu.

Thành phần cơ bản của bộ thiết bị bao gồm:

• Máy nén: Phải có độ chính xác cao, phạm vi tải lớn (thường đến 200–300 kN), tốc độ nén điều chỉnh được. Máy có thể vận hành thủ công hoặc tự động, tích hợp bộ ghi dữ liệu và biểu đồ lực theo thời gian.
• Gá đỡ mẫu và bộ gá ép chẻ: Thiết bị kim loại được thiết kế chuyên dụng để giữ mẫu trụ nằm ngang, đảm bảo lực truyền đúng dọc theo đường kính mẫu.
• Hai tấm đệm: Làm bằng thép tôi, được đặt giữa mẫu và bàn ép, có vai trò phân phối đều tải trọng và tránh tập trung ứng suất.
• Thước đo, panme: Dùng để đo chính xác đường kính và chiều dài mẫu trước thí nghiệm.

Việc kiểm định định kỳ thiết bị, đặc biệt là đồng hồ đo lực và bộ điều khiển tải, là bắt buộc nhằm đảm bảo độ tin cậy của phép thử. Các máy nén cũ, nếu không hiệu chuẩn thường xuyên, có thể gây ra sai số lớn do không kiểm soát chính xác được tốc độ tăng tải hoặc điểm ghi lực phá hủy.

Chuẩn bị mẫu thử

Chất lượng mẫu thử đóng vai trò quyết định trong độ chính xác của thí nghiệm ép chẻ. Mẫu thường có hình trụ, với tỷ lệ chiều dài trên đường kính từ 2:1 đến 2.5:1 (thường dùng: D = 150 mm, L = 300 mm). Tùy vật liệu mà mẫu có thể được đúc hoặc cắt từ khối thực địa.

Các bước chuẩn bị mẫu cơ bản gồm:

1. Đúc mẫu: Với bê tông xi măng, bê tông nhựa, mẫu được đúc trong khuôn tiêu chuẩn, đảm bảo đồng nhất vật liệu và không có lỗ rỗng hoặc vết nứt.
2. Bảo dưỡng: Mẫu bê tông được bảo dưỡng trong phòng tiêu chuẩn (20 ± 2°C, độ ẩm ≥ 95%) trong 28 ngày. Đối với bê tông nhựa, mẫu cần được lưu giữ ở nhiệt độ phòng tối thiểu 24 giờ sau khi nén tạo hình.
3. Gia công bề mặt: Nếu cần, mặt phẳng tiếp xúc của mẫu được mài hoặc cắt để đảm bảo độ phẳng ±0.2 mm nhằm truyền lực đồng đều.

Trước khi thử, mẫu phải được đo lại kích thước để sử dụng chính xác trong tính toán. Mọi mẫu có khuyết tật lớn (vết nứt, rỗ tổ ong) cần loại bỏ để không ảnh hưởng kết quả chung.

Quy trình thí nghiệm

Thí nghiệm ép chẻ được tiến hành theo một quy trình nghiêm ngặt để đảm bảo kết quả lặp lại và đáng tin cậy. Tất cả thao tác phải được thực hiện đúng tốc độ nén và trình tự quy định, tránh tăng tải quá nhanh hoặc lệch tâm mẫu.

Các bước thực hiện bao gồm:

1. Đặt mẫu nằm ngang giữa hai tấm đệm của máy nén, trục mẫu phải thẳng hàng với trục lực.
2. Điều chỉnh máy nén để tiếp xúc đều hai đầu mẫu.
3. Tăng tải đều với tốc độ chuẩn (thường từ 1.0 đến 2.0 kN/s tùy tiêu chuẩn).
4. Ghi lại tải trọng phá hủy lớn nhất – tức giá trị tại thời điểm mẫu bị nứt hoặc gãy theo mặt phẳng đứng.
5. Tính toán cường độ ép chẻ theo công thức:

$R_t = \frac{2P}{\pi d l}$

Ví dụ: Một mẫu đường kính 150 mm, chiều dài 300 mm, phá hủy dưới tải trọng 120000 N, ta có:

$R_t = \frac{2 \times 120000}{\pi \times 150 \times 300} \approx 1.7 \, \text{MPa}$

Ghi chú: Nếu phá hủy không xảy ra theo mặt thẳng đứng, hoặc có hiện tượng trượt, kết quả thí nghiệm cần loại bỏ.

Phân tích và diễn giải kết quả

Giá trị cường độ ép chẻ cho phép đánh giá khả năng chịu kéo gián tiếp của vật liệu, thường thấp hơn nhiều so với cường độ nén. Trong thiết kế kết cấu hoặc kiểm định chất lượng vật liệu, chỉ tiêu này bổ sung dữ liệu cần thiết về độ bền, độ đồng nhất và tính ổn định của vật liệu xây dựng.

Khi phân tích kết quả, cần xem xét:

• Giá trị trung bình: Nếu có nhiều mẫu (≥3), lấy trung bình để đảm bảo tính đại diện.
• Độ lệch chuẩn: Xác định độ biến động, cho biết độ đồng đều của vật liệu.
• Sai số phép đo: Gồm sai số thiết bị và con người, ảnh hưởng đến độ tin cậy của kết quả.

Trong trường hợp sử dụng trong nghiên cứu, kết quả cường độ ép chẻ thường được phân tích cùng với các chỉ tiêu khác như mô đun đàn hồi, độ thấm nước, hoặc khả năng kháng nứt để đưa ra đánh giá toàn diện về vật liệu.

Hạn chế và lưu ý

Phương pháp ép chẻ tuy đơn giản, dễ triển khai nhưng vẫn tồn tại một số hạn chế cần chú ý để tránh sai lệch kết quả:

• Không đo trực tiếp ứng suất kéo mà gián tiếp thông qua lực nén → có thể ảnh hưởng bởi điều kiện biên, ma sát hoặc lệch tâm mẫu.
• Kết quả nhạy cảm với kích thước mẫu, tốc độ tải và đặc điểm cấu trúc bên trong (như phân bố cốt liệu hoặc độ rỗng).
• Nếu bề mặt tiếp xúc không phẳng hoặc không đồng đều, lực sẽ không phân bố đều → gây sai lệch đáng kể.

Để giảm thiểu sai số, cần tuân thủ nghiêm ngặt quy trình chuẩn bị mẫu, vận hành thiết bị, cũng như kiểm tra độ lệch tâm và tốc độ tải. Trong các ứng dụng quan trọng, nên kết hợp phương pháp này với thử kéo trực tiếp hoặc kiểm tra phá hoại bằng ảnh số (DIC).

Tài liệu tham khảo

• TCVN 8862:2011 – Quy trình xác định cường độ kéo khi ép chẻ
• ASTM C496 – Split Tensile Strength of Concrete
• Testbook – Splitting Tensile Test of Concrete