Tính chất cơ học của bê tông là gì?
Tính chất cơ học của bê tông là tập hợp các thông số mô tả khả năng chịu lực, biến dạng và ứng xử dài hạn của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng và môi trường. Các thông số chính gồm cường độ nén fc, cường độ kéo ft, mô-đun đàn hồi Ec, hệ số Poisson ν, từ biến (creep) và co ngót (shrinkage).
Cường độ nén (fc)
Cường độ nén là thông số cơ bản nhất của bê tông, xác định bằng thí nghiệm nén mẫu hình trụ ∅150×300 mm (ACI) hoặc mẫu lập phương 150×150×150 mm (TCVN) sau 28 ngày dưỡng hộ tiêu chuẩn.
- Dải thông dụng: fc = 10–100 MPa
- Bê tông thường: 20–40 MPa (mác B15–B30 theo TCVN)
- Bê tông cường độ cao (HPC/HSC): 60–100 MPa
- Bê tông siêu cường độ (UHPC): >120 MPa
- Quan hệ fc’ (trụ) ≈ 0,8 × fck (lập phương) — hệ số hiệu chỉnh hình dạng mẫu
Cường độ kéo (ft)
Bê tông rất yếu khi chịu kéo — đây là đặc điểm quan trọng nhất cần nắm khi thiết kế. Cường độ kéo thường xấp xỉ 1/10 cường độ nén.
- Công thức xấp xỉ: ft ≈ 0,1 × fc
- ACI 318: fr (modulus of rupture) = 0,62 × √fc’ (MPa) — dùng để kiểm tra nứt
- Phép thử kéo bửa (splitting tensile): fsp ≈ 0,56 × √fc’ (MPa)
- Vì ft thấp, trong BTCT cốt thép chịu toàn bộ lực kéo — vùng bê tông kéo được coi là nứt và bỏ qua trong tính toán cường độ
Mô-đun đàn hồi (Ec)
Mô-đun đàn hồi Ec (Young’s modulus) của bê tông phụ thuộc chủ yếu vào cường độ nén fc và tỷ trọng bê tông wc.
- Công thức ACI 318: Ec = 4700 × √fc’ (MPa) — áp dụng cho bê tông nặng thông thường wc ≈ 2300 kg/m³
- Công thức tổng quát ACI: Ec = 0,043 × wc^1,5 × √fc’ (MPa) — cho bê tông nhẹ
- TCVN / Eurocode: Ecm = 22 × (fcm/10)^0,3 (GPa)
- Ec bê tông thường: 20–35 GPa (so với thép 200 GPa)
- Ec là mô-đun tiếp tuyến tại ứng suất zero; mô-đun cát tuyến tại 0,45fc nhỏ hơn khoảng 10–15%
Hệ số Poisson (ν)
Hệ số Poisson của bê tông phản ánh tỷ lệ biến dạng ngang / biến dạng dọc khi chịu tải nén một trục. Giá trị ν = 0,2 (thông thường dùng 0,15–0,20) trong giai đoạn đàn hồi; tăng lên gần 0,5 khi bê tông tiếp cận phá hoại.
Từ biến (Creep)
Từ biến là hiện tượng biến dạng của bê tông tăng dần theo thời gian dưới tác dụng của tải trọng dài hạn không đổi, ngay cả khi ứng suất không thay đổi.
- Hệ số từ biến Φ (creep coefficient): Φ = 2–3 — nghĩa là biến dạng tổng = (1 + Φ) × biến dạng đàn hồi ban đầu
- Từ biến phụ thuộc: tuổi bê tông khi chất tải (càng trẻ càng từ biến nhiều), độ ẩm môi trường, kích thước cấu kiện và tỷ lệ nước/xi măng
- Ảnh hưởng thực tế: tăng độ võng dầm sàn, mất mát ứng suất trong bê tông ứng suất trước, phân phối lại nội lực trong kết cấu siêu tĩnh
- Theo Eurocode 2: Φ(t,t₀) tính theo mô hình B3 hoặc tra biểu đồ theo RH, h₀ và fcm
Co ngót (Shrinkage)
Co ngót là sự giảm thể tích của bê tông do mất nước và phản ứng hóa học, xảy ra độc lập với tải trọng bên ngoài.
- Co ngót khô (drying shrinkage): εcs ≈ 300–600 microstrain (µε) — phổ biến nhất
- Co ngót tự sinh (autogenous shrinkage): quan trọng với bê tông W/C thấp (<0,42); εca ≈ 50–200 µε
- Co ngót carbon hóa: nhỏ, thường bỏ qua
- Khi bê tông bị giữ không co ngót được (do kết cấu, liên kết): ứng suất kéo phát sinh → nứt bề mặt; cần bố trí cốt thép chống co ngót tối thiểu
Tỷ trọng bê tông
- Bê tông nặng thông thường: 2300–2500 kg/m³ (thường dùng 2400 kg/m³)
- Bê tông nhẹ (dùng cốt liệu nhẹ): 1400–1900 kg/m³
- Bê tông nặng (dùng cốt liệu baryt cho che chắn phóng xạ): 3200–3500 kg/m³
Câu hỏi thường gặp
- Tại sao cần biết Ec khi thiết kế?
- Ec dùng để tính độ võng ngắn hạn, phân phối tải trọng giữa các cấu kiện, và mất mát ứng suất trong bê tông ứng suất trước.
- Từ biến ảnh hưởng thực tế như thế nào?
- Một dầm bê tông có thể võng thêm 2–3 lần so với độ võng tức thời sau 3–5 năm. Tiêu chuẩn yêu cầu kiểm tra độ võng dài hạn (thường giới hạn L/250 hoặc L/350).
- Làm thế nào để giảm co ngót?
- Giảm tỷ lệ nước, dùng phụ gia giảm nước, bảo dưỡng ẩm đủ thời gian, bố trí cốt thép phân bố và thi công khe co giãn đúng khoảng cách.