Định nghĩa thép xây dựng
Thép xây dựng là hợp kim sắt-carbon (hàm lượng carbon ≤ 2,14%) được sản xuất theo tiêu chuẩn kỹ thuật chuyên dụng cho các kết cấu công trình, bao gồm móng, cột, dầm, sàn và các bộ phận chịu lực khác. Đây là vật liệu kim loại quan trọng nhất trong ngành xây dựng hiện đại, chiếm tỷ trọng lớn nhất trong tổng khối lượng vật liệu kết cấu sử dụng tại Việt Nam. Thép xây dựng khác với thép kết cấu công nghiệp (dầm I, thép hình) ở chỗ chủ yếu tồn tại dưới dạng thanh thẳng hoặc cuộn, được chôn vùi bên trong bê tông.
Thành phần hóa học
Thành phần hóa học của thép xây dựng bao gồm sắt (Fe) là nền tảng, carbon (C) chiếm 0,06–0,30% tùy mác thép, mangan (Mn) 0,3–1,5% để tăng độ bền, silic (Si) 0,12–0,55% cải thiện tính đàn hồi. Ngoài ra còn có các nguyên tố vi lượng như phốt-pho (P) và lưu huỳnh (S) cần khống chế dưới 0,045% mỗi nguyên tố vì gây giòn nguội và giòn nóng. Thép cường độ cao (CB400V, CB500V) còn bổ sung thêm vanadi (V), niôbi (Nb) hoặc titan (Ti) ở mức vài phần nghìn phần trăm để tạo hạt mịn vi cấu trúc tăng giới hạn chảy mà không giảm độ dẻo.
Hàm lượng carbon ảnh hưởng quyết định đến tính chất cơ học: tăng carbon làm tăng độ bền kéo nhưng giảm độ dẻo và khả năng hàn. Vì vậy thép xây dựng có carbon thấp (0,06–0,20%) để đảm bảo tính dẻo và khả năng uốn khi gia công, đặc biệt quan trọng khi uốn cốt thép tại công trường.
Cấu trúc vi mô
Thép xây dựng thông thường (CB240T, CB300T) có cấu trúc ferit-perlít hình thành qua quá trình cán nóng và nguội chậm. Ferit (pha sắt nguyên chất) cung cấp độ dẻo; perlít (hỗn hợp lamellar ferit và xêmentít) cung cấp độ bền. Thép cường độ cao (CB400V, CB500V) trải qua quá trình nhiệt luyện tôi-ram tự làm nguội (Tempcore/Quenching & Self-Tempering) tạo lớp martensit tôi ram ngoài cùng bền cao và lõi ferit-perlít dẻo dai.
Thép thanh vằn (ribbed bar) có gân nổi trên bề mặt theo hướng xoắn ốc, được tạo ra bởi rãnh khắc trên con lăn cán cuối cùng. Gân tăng diện tích bề mặt tiếp xúc và tạo liên kết cơ học với bê tông, nâng lực bám dính lên gấp 2–4 lần so với thanh tròn trơn.
Vai trò trong kết cấu bê tông cốt thép
Bê tông có cường độ chịu nén cao (20–40 MPa) nhưng cường độ chịu kéo chỉ bằng 1/10 cường độ nén, dẫn đến nứt vỡ khi chịu uốn hoặc kéo. Thép xây dựng với giới hạn chảy 240–500 MPa bù đắp chính xác khiếm khuyết này: cốt thép đặt ở vùng chịu kéo tiếp nhận ứng suất kéo, trong khi bê tông tiếp nhận ứng suất nén. Sự phối hợp này tạo ra kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) có khả năng chịu lực tổng hợp vượt trội so với mỗi vật liệu riêng lẻ.
Hệ số giãn nở nhiệt của thép (12×10⁻⁶/°C) và bê tông (10–12×10⁻⁶/°C) gần bằng nhau, nên kết cấu BTCT không bị ứng suất nhiệt nội khi nhiệt độ thay đổi. Bê tông bảo vệ cốt thép khỏi ăn mòn, còn thép gia cường bê tông chống nứt — đây là sự kết hợp lý tưởng tạo nên vật liệu kết cấu phổ biến nhất thế giới.
Quy trình sản xuất tổng quát
Thép xây dựng tại Việt Nam được sản xuất chủ yếu qua hai con đường. Thứ nhất là lò cao – lò oxy (BOF): quặng sắt + than cốc → gang lỏng (lò cao) → thép lỏng (lò oxy) → đúc phôi vuông → cán nóng thành thanh. Thứ hai là lò điện hồ quang (EAF): phế liệu thép + điện → thép lỏng → đúc phôi liên tục → cán nóng. EAF chiếm trên 70% sản lượng thép xây dựng nội địa Việt Nam.
Phôi vuông (billet) thường có tiết diện 100×100 mm hoặc 130×130 mm, dài 6–12 m, được nung đến 1.150–1.250°C rồi cán qua các giá cán liên tục (10–18 giá) để ra thanh thép có đường kính theo yêu cầu. Tốc độ cán có thể đạt 60–120 m/s với thép đường kính nhỏ (D6–D8).
Ký hiệu mác thép theo TCVN hiện hành
TCVN 1651-1:2008 và TCVN 1651-2:2008 quy định ký hiệu mác thép theo hệ thống: chữ CB (cốt thép bê tông) + số chỉ giới hạn chảy (MPa) + chữ T (tròn trơn) hoặc V (vằn). Ví dụ CB400V nghĩa là cốt thép bê tông, giới hạn chảy 400 MPa, dạng thanh vằn. Ký hiệu cũ CT3 (theo TCVN 1651:1985) tương đương CB240T trong hệ thống mới.
Phân biệt thép xây dựng với thép kết cấu
Thép kết cấu (structural steel) như thép hình (I, H, L, U, C), thép tấm, thép ống dùng trong kết cấu thép nhà tiền chế, cầu, tháp truyền hình, khác với thép xây dựng dùng làm cốt thép trong BTCT. Thép kết cấu chịu lực ở dạng lộ thiên, liên kết bằng bu-lông hoặc hàn; thép cốt bê tông chịu lực ẩn trong bê tông, liên kết với bê tông qua lực bám dính bề mặt. Tiêu chuẩn áp dụng cũng khác: thép cốt bê tông theo TCVN 1651, thép kết cấu theo TCVN 7571 (thép hình cán nóng).