Cường độ nén và kéo xi măng — tổng quan
Cường độ là thông số kỹ thuật cơ bản nhất của xi măng, được dùng để phân loại (PCB 40, PC 50…). Tuy nhiên, xi măng và bê tông có sự bất đối xứng lớn giữa khả năng chịu nén và chịu kéo: cường độ nén cao hơn cường độ kéo từ 8 đến 12 lần. Đặc tính này là lý do bê tông cốt thép tồn tại — thép chịu kéo, bê tông chịu nén.
Thử nghiệm cường độ nén
Theo TCVN 6016:2011 và EN 196-1, cường độ nén xi măng được thử trên mẫu lăng trụ 40×40×160 mm sau khi uốn gãy, tạo ra 6 mẫu nén có kích thước 40×40×40 mm. Mẫu được dưỡng ẩm trong nước ở 20 ± 1°C và thử tại 2 ngày, 7 ngày và 28 ngày. Cường độ nén R (MPa) = F/A, trong đó F là lực phá hoại (N), A = 1600 mm². Xi măng PCB 40 yêu cầu cường độ nén 28 ngày ≥ 40 MPa.
Thử nghiệm cường độ kéo — phương pháp uốn
Cường độ kéo trực tiếp của xi măng/bê tông rất khó đo do mẫu dễ gãy khi kẹp. Thay vào đó, EN 196-1 sử dụng thử nghiệm uốn 3 điểm trên mẫu lăng trụ 40×40×160 mm, từ đó tính cường độ kéo gián tiếp (modulus of rupture). Cường độ uốn R_f (MPa) = 1,5FL/b³, trong đó F = lực uốn gãy, L = nhịp (100 mm), b = cạnh mặt cắt (40 mm). PCB 40 yêu cầu R_f 28 ngày ≥ 6,5 MPa.
Tỷ lệ nén/kéo và ý nghĩa kỹ thuật
| Loại vật liệu | Cường độ nén (MPa) | Cường độ kéo (MPa) | Tỷ lệ nén/kéo |
|---|---|---|---|
| Vữa xi măng chuẩn EN 196-1 | 40–60 | 5–8 (uốn) | ~8:1 |
| Bê tông thông thường B25–B30 | 25–35 | 2,5–3,5 (kéo thẳng) | ~10:1 |
| Bê tông cường độ cao B60 | 60–80 | 4–5 | ~14:1 |
| Bê tông UHPC | 120–200 | 5–8 (không sợi) | ~25:1 |
| Đá granite (so sánh) | 100–250 | 7–25 | ~10:1 |
Vì sao xi măng yếu kéo hơn nén nhiều?
Cấu trúc vi mô của C-S-H gel bao gồm các tấm silicate xen kẽ nước. Liên kết giữa các lớp này (liên kết Van der Waals và cầu calcium) mạnh dưới nén nhưng dễ tách khi bị kéo căng hoặc uốn. Lỗ rỗng mao quản trong hồ xi măng đóng vai trò là điểm tập trung ứng suất kéo, nơi vết nứt khởi phát và lan rộng. Không có sợi cốt nào trong xi măng nguyên chất để cản phát triển vết nứt.
Cải thiện cường độ kéo
Các giải pháp phổ biến tăng cường độ kéo của vật liệu xi măng: Cốt thép (RC): Thanh thép chịu toàn bộ lực kéo thiết kế; Cốt sợi (FRC): Sợi thép (0,5–2%), sợi polypropylene hoặc sợi thủy tinh phân tán đều trong hỗn hợp, cầu nối vết nứt, tăng cường độ kéo lên 2–4 lần; Bê tông ứng suất trước (PSC): Cáp ứng suất trước tạo ứng suất nén trước trong vùng sẽ chịu kéo; Silica fume + siêu dẻo (HPC): Giảm lỗ rỗng, tăng mật độ gel C-S-H, cải thiện cả nén lẫn kéo.
Ứng dụng trong thiết kế kết cấu
TCVN 5574:2018 (tiêu chuẩn thiết kế bê tông cốt thép Việt Nam) dựa trên nguyên tắc bê tông không chịu kéo — toàn bộ lực kéo do thép cốt gánh. Cường độ kéo đặc trưng f_ctk được dùng tính toán đặt cốt thép sàn, kiểm tra nứt và ứng suất trước. Đối với bê tông sợi thép SFRC, tiêu chuẩn EN 14651 quy định thử thêm thử nghiệm uốn 3 điểm trên mẫu 150×150×700 mm để xác định tính năng sau nứt (post-crack performance).