Hệ số giãn nở nhiệt CTE là gì?
Hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính CTE (Coefficient of Thermal Expansion), ký hiệu α, là tỷ lệ thay đổi chiều dài trên một đơn vị chiều dài ban đầu khi nhiệt độ thay đổi 1°C (hoặc 1 K), đơn vị là 1/°C hay 1/K (thường biểu diễn dưới dạng ×10⁻⁶/°C hay ppm/°C). CTE là thông số quan trọng trong thiết kế khe nhiệt, lựa chọn vật liệu ghép nối và kiểm soát ứng suất nhiệt trong kết cấu.
Bảng giá trị CTE (α) các vật liệu xây dựng
| Vật liệu | α (×10⁻⁶/°C) | ΔL (mm) / 100m / 10°C | Ghi chú quan trọng |
|---|---|---|---|
| PVC | 50 – 80 | 50 – 80 | Cao nhất, cần bù giãn nở thường xuyên |
| Nhôm | 23 | 23 | Gần gấp đôi thép — cần cắt khe trong mặt dựng nhôm |
| Đồng | 17 | 17 | Dùng ống đồng cấp nước cần khớp giãn nở |
| Thép xây dựng | 12 | 12 | Tiêu chuẩn tham chiếu trong BTCT |
| Bê tông | 10 – 12 | 10 – 12 | Phù hợp với thép → BTCT làm việc tốt |
| Gạch nung | 5 – 8 | 5 – 8 | Thấp hơn bê tông — chú ý tại mạch nối |
| Gỗ (ngang thớ) | 30 – 60 | 30 – 60 | Dị hướng mạnh, ngang thớ >> dọc thớ |
| Gỗ (dọc thớ) | 3 – 5 | 3 – 5 | Rất thấp theo chiều thớ |
| Kính thường | 8 – 9 | 8 – 9 | Kính cần gioăng đệm trong khung nhôm |
| Đá granite | 8 | 8 | Ổn định nhiệt tốt |
Ý nghĩa trong kết cấu bê tông cốt thép (BTCT)
Thép có α = 12×10⁻⁶/°C và bê tông có α = 10–12×10⁻⁶/°C — sự tương đồng này là điều kiện cơ bản để BTCT hoạt động hiệu quả. Khi nhiệt độ thay đổi, thép và bê tông giãn nở gần như cùng tốc độ, không tạo ra ứng suất trượt đáng kể tại mặt tiếp xúc. Đây là sự trùng hợp kỳ diệu của vật liệu tự nhiên cho phép phát triển công nghệ bê tông cốt thép từ cuối thế kỷ 19.
Vấn đề ghép nối vật liệu khác α
Khi hai vật liệu có α khác nhau được kết nối cứng, sự chênh lệch giãn nở nhiệt tạo ra ứng suất tiếp tại mặt tiếp xúc. Ví dụ điển hình: khung nhôm (α=23) gắn trực tiếp vào cột bê tông (α=12) — chênh lệch 11×10⁻⁶/°C qua ΔT=40°C tạo ra trượt 44 μm/m, đủ để gây nứt lớp keo kết nối sau nhiều chu kỳ nhiệt. Giải pháp: dùng gioăng silicon mềm hoặc khe trượt tại điểm nối.
Tính toán khe nhiệt cho kết cấu thép
Kết cấu thép mái nhà xưởng dài 60 m tại Hà Nội, chênh lệch nhiệt độ thiết kế ΔT = 50°C (từ -5°C mùa đông đến 45°C trên mái thép mùa hè):
ΔL = α × L × ΔT = 12×10⁻⁶ × 60 × 50 = 0,036 m = 36 mm
Chiều rộng khe nhiệt tối thiểu phải đủ hấp thụ 36 mm biến dạng, thực tế thiết kế thường chọn 40–50 mm để có hệ số an toàn.
Ảnh hưởng của CTE đến vật liệu hoàn thiện
- Gạch ốp tường ngoài: Gạch α=6×10⁻⁶, vữa xi măng α=10–12×10⁻⁶ — chênh lệch α gây nứt mạch vữa theo thời gian, cần khe phân vị mỗi 3–5 m.
- Sàn đá granit: Cần khe giãn nở mỗi 4–6 m để tránh phồng rộp khi nhiệt độ sàn tăng cao (đặc biệt sàn ngoài trời).
- Ống nhựa cấp nước nóng: PVC và PPR có α rất cao, đường ống dài hơn 6 m cần điểm cố định và bộ bù giãn nở.
Câu hỏi thường gặp
- Tại sao cầu thép có “khe co giãn” ở hai đầu?
- Cầu thép dài 100 m chịu ΔT 50°C sẽ giãn thêm 60 mm. Nếu không có khe co giãn, lực nén nhiệt có thể cong vênh dầm thép hoặc phá hủy gối cầu. Khe co giãn dạng răng lược hấp thụ biến dạng này trong khi vẫn cho xe đi qua trơn tru.
- Nhà dân dài bao nhiêu mét cần khe nhiệt?
- Theo thực hành thiết kế, nhà dân xây gạch hoặc khung bê tông nên bố trí khe nhiệt mỗi 25–30 m chiều dài. Nhà xưởng khung thép có lớp sơn bảo vệ tốt có thể kéo dài đến 45–60 m giữa các khe nhiệt.