Từ biến vật liệu (creep) là gì? Ba giai đoạn và ảnh hưởng đến bê tông

Từ biến vật liệu (creep) là hiện tượng biến dạng tăng dần theo thời gian dưới tác dụng của tải trọng không đổi, xảy ra ngay cả khi ứng suất nằm dưới giới hạn đàn hồi. Đây là tính chất quan trọng cần kiểm soát trong thiết kế kết cấu bê tông, đặc biệt là dầm dự ứng lực và cột cao tầng.

Định nghĩa và cơ chế từ biến

Khi vật liệu chịu tải trọng liên tục, các liên kết phân tử dần dần tái sắp xếp, gây ra biến dạng bổ sung theo thời gian. Biến dạng từ biến ε_cr cộng thêm vào biến dạng đàn hồi tức thì ε_e ngay sau khi đặt tải. Cơ chế xảy ra do trượt giữa các pha, khuếch tán nguyên tử hoặc biến dạng nhớt trong chất kết dính.

Ba giai đoạn từ biến

1. Sơ cấp (Primary creep): Tốc độ biến dạng giảm dần theo thời gian. Vật liệu còn đang cứng hóa (strain hardening). Giai đoạn ngắn nhất trong ba giai đoạn.
2. Thứ cấp (Secondary creep): Tốc độ biến dạng ổn định, gần như không đổi — đây là giai đoạn kéo dài nhất. Tốc độ từ biến tối thiểu xảy ra tại đây. Thiết kế thường dựa vào tốc độ từ biến thứ cấp.
3. Tam cấp (Tertiary creep): Tốc độ biến dạng tăng nhanh đột ngột dẫn đến phá hủy. Xuất hiện do sự hình thành và lan truyền vết nứt vi mô. Không được phép xảy ra trong kết cấu công trình.

Từ biến trong bê tông

Bê tông từ biến đáng kể do gel xi măng (C-S-H) có cấu trúc nhớt đàn hồi. Hệ số từ biến φ (phi) được định nghĩa là tỷ số giữa biến dạng từ biến và biến dạng đàn hồi ban đầu: φ = ε_cr/ε_e. Theo Eurocode 2, φ thông thường dao động từ 2,0 đến 3,0, nghĩa là biến dạng từ biến gấp 2–3 lần biến dạng đàn hồi tức thì.

Các yếu tố làm tăng từ biến bê tông: tỷ lệ nước/xi măng cao, độ ẩm thấp, nhiệt độ cao, tải đặt sớm khi bê tông chưa đủ cường độ, và tiết diện nhỏ (mất nước nhanh). Bê tông chất lượng cao (HSC) có φ thấp hơn đáng kể.

Ảnh hưởng của từ biến đến bê tông dự ứng lực

Trong dầm bê tông dự ứng lực (prestressed concrete), từ biến là nguyên nhân chính gây mất mát ứng suất trước (prestress loss). Khi bê tông từ biến, dầm rút ngắn lại, làm sợi cáp dự ứng lực chùng xuống và mất lực căng ban đầu. Tổng mất mát ứng suất do từ biến và co ngót thường chiếm 15–25% lực căng ban đầu — kỹ sư phải tính toán và bù trừ trong thiết kế.

Độ võng dài hạn của dầm bê tông cũng bị khuếch đại bởi từ biến. Theo ACI 318, hệ số khuếch đại độ võng dài hạn λ_Δ = ξ/(1+50ρ’), trong đó ξ = 2,0 sau 5 năm — nghĩa là độ võng cuối cùng có thể gấp 3 lần độ võng tức thì.

Từ biến trong thép

Thép kết cấu ở nhiệt độ bình thường (dưới 300°C) hầu như không từ biến — tốc độ từ biến thứ cấp cực kỳ nhỏ và có thể bỏ qua trong thiết kế thông thường. Tuy nhiên, trong hỏa hoạn hoặc công trình nhiệt độ cao, từ biến thép trở nên đáng kể từ khoảng 400–500°C trở lên và là nguyên nhân dẫn đến sụp đổ kết cấu thép khi cháy kéo dài.

Từ biến trong nhựa và polyme

Vật liệu polyme từ biến đáng kể ngay ở nhiệt độ phòng do chuỗi phân tử dài có thể trượt qua nhau. PVC, PE, PP đều biểu hiện từ biến rõ ràng dưới tải trọng duy trì — thiết kế ống nhựa chịu áp lực phải tính toán từ biến dài hạn. Nhiệt độ thủy tinh hóa (T_g) là ngưỡng mà từ biến polyme tăng đột ngột.

Kiểm soát từ biến trong thiết kế

• Giảm tỷ lệ ứng suất làm việc/cường độ vật liệu (stress ratio).
• Dùng bê tông chất lượng cao (φ thấp hơn) cho kết cấu dự ứng lực quan trọng.
• Thi công dầm phân đợt, đặt tải sau khi bê tông đủ tuổi (≥28 ngày).
• Thiết kế cốt thép nén (ρ’) để giảm từ biến bê tông và độ võng dài hạn.
• Dùng phụ gia giảm nước và silica fume để giảm tỷ lệ w/c, giảm φ.

Câu hỏi thường gặp

Từ biến có phục hồi được không?

Một phần biến dạng từ biến là đàn hồi trễ (delayed elastic) và phục hồi khi dỡ tải. Phần còn lại là biến dạng nhớt không phục hồi (viscous flow). Trong bê tông, phục hồi từ biến chỉ khoảng 20–30% tổng từ biến.

Từ biến khác co ngót như thế nào?

Co ngót (shrinkage) xảy ra do mất nước và hydrat hóa, không phụ thuộc tải trọng. Từ biến xảy ra do tải trọng duy trì. Cả hai đều gây mất mát ứng suất trước và độ võng dài hạn, thường được tính toán cùng nhau.

Hệ số từ biến φ = 3 có nghĩa là gì trong thực tế?

Nếu biến dạng đàn hồi tức thì khi đặt tải là 1mm, sau nhiều năm biến dạng từ biến tích lũy thêm 3mm nữa, tổng biến dạng đạt 4mm — bốn lần biến dạng ban đầu.