Bê tông cốt thép vì sao chắc: bê tông chịu nén, thanh thép chịu kéo

Bê tông cốt thép chắc vì mỗi vật liệu làm đúng việc mình giỏi: bê tông chịu nén rất tốt nhưng bị kéo là nứt, còn thanh thép chịu kéo cực tốt. Đặt thép đúng vào chỗ bị kéo, hai thứ bù cho nhau. Thêm vào đó, chúng nở ra co lại gần như bằng nhau khi trời nóng lạnh, và bê tông che cho thép khỏi gỉ.

Nén và kéo: hai cách một vật bị "bắt nạt"

Mọi vật trong một ngôi nhà đều chịu lực. Có hai kiểu lực cơ bản:

• Nén: lực ép vật ngắn lại. Bạn đứng trên một viên gạch là viên gạch bị nén. Chân cột chịu cả ngôi nhà đè xuống là bị nén.
• Kéo: lực làm vật dài ra, như khi hai bạn kéo co một sợi dây. Sợi dây bị kéo.

Đá, gạch và bê tông giống nhau ở chỗ: rất giỏi chịu nén, rất kém chịu kéo. Sức chịu kéo của bê tông chỉ vào khoảng một phần mười sức chịu nén. Một khối bê tông nhỏ có thể đỡ cả chiếc xe tải đè lên, nhưng nếu bị kéo dãn ra, nó nứt chỉ với một lực nhỏ hơn nhiều.

Thép thì khác: một sợi thép mảnh có thể treo được vật nặng gấp nhiều lần chính nó mà không đứt. Nhưng thanh thép dài, mảnh mà bị nén thì lại dễ cong oằn sang bên. Hai vật liệu như hai người bạn, mỗi người giỏi một môn.

Một thanh dầm bị uốn: trên nén, dưới kéo

Hãy nghĩ tới cái dầm bê tông nằm ngang đỡ sàn nhà. Sàn đè xuống, dầm võng xuống một chút (rất ít, mắt thường không thấy). Khi dầm võng:

• Mặt trên của dầm bị ép ngắn lại, tức là bị nén. Bê tông lo được.
• Mặt dưới bị kéo dài ra. Bê tông không lo được, sẽ nứt từ dưới lên.

Vì vậy trong dầm, thợ đặt những thanh thép to ở phía dưới, chạy dọc theo chiều dài. Khi dầm võng, thép ở dưới gánh lực kéo. Bê tông bên trên gánh lực nén. Những đai thép nhỏ quấn quanh như chiếc vòng giữ các thanh thép đúng chỗ khi đổ bê tông và giúp dầm chống bị cắt gãy ở gần đầu cột.

Ban công: ngược lại hoàn toàn

Ban công, mái hắt (ô văng) là những tấm chỉ gắn một đầu vào nhà, đầu kia chìa ra không có gì đỡ. Kỹ sư gọi là dầm công-xôn. Khi bị đè, nó cong xuống như một cái cần câu, nên mặt trên bị kéo, mặt dưới bị nén. Thép chính của ban công vì thế phải nằm ở phía trên. Đặt nhầm thép xuống dưới như dầm thường là một lỗi nguy hiểm mà các kỹ sư luôn được dặn kỹ.

Ba lý do bê tông và thép "hợp nhau"

Điều kiện	Vì sao quan trọng
Bám chặt vào nhau	Thép phải không trượt trong bê tông thì mới truyền lực được. Vì thế thép xây dựng ngày nay có gân nổi xoắn quanh thân, như ren ốc, để bê tông ngậm chặt.
Nở nhiệt gần bằng nhau	Trời nóng, mọi vật nở ra. Bê tông và thép nở ra với tỉ lệ rất gần nhau, nên qua hàng nghìn ngày nắng đêm lạnh, chúng không tách khỏi nhau. Đây là một sự may mắn của tự nhiên.
Bê tông che gỉ cho thép	Bê tông có tính kiềm. Trong môi trường kiềm, mặt thép tạo một lớp màng rất mỏng tự bảo vệ, khó gỉ. Lớp bê tông bọc ngoài thép, dày vài centimét, gọi là lớp bảo vệ.

Bê tông cốt thép do một người làm vườn nghĩ ra

Ở Pháp giữa thế kỷ 19, nhiều người đã thử nhét lưới sắt vào vữa xi măng. Joseph-Louis Lambot làm một chiếc thuyền nhỏ bằng xi măng có lưới sắt bên trong và đem trưng bày ở Hội chợ Paris năm 1855. Joseph Monier, một người làm vườn ở Paris, cần những chậu cây to bền hơn chậu gốm. Ông đúc chậu bằng xi măng có lưới sắt bên trong và được cấp bằng sáng chế năm 1867, sau đó mở rộng sang ống nước, bể chứa, cầu nhỏ.

Đến cuối thế kỷ 19, kỹ sư François Hennebique ở Pháp xây dựng được cả hệ thống cột, dầm, sàn bằng bê tông cốt thép liền một khối. Từ đó, vật liệu này lan ra khắp thế giới. Ở Việt Nam, bê tông cốt thép xuất hiện từ thời Pháp thuộc và ngày nay là vật liệu chính của gần như mọi ngôi nhà ống, trường học, cầu đường.

Khi bê tông cốt thép bị bệnh

Bê tông cốt thép bền, nhưng không phải bất tử. Kẻ thù số một của nó là gỉ thép.

• Theo năm tháng, khí CO₂ trong không khí thấm dần vào bê tông và làm mất tính kiềm từ ngoài vào trong. Khi lớp mất kiềm chạm tới thép, màng bảo vệ biến mất.
• Ở vùng ven biển, muối trong gió biển ngấm vào bê tông cũng phá lớp màng bảo vệ nhanh hơn nhiều.
• Gỉ sắt chiếm thể tích lớn hơn nhiều lần so với thép ban đầu. Gỉ nở ra đẩy bung lớp bê tông ngoài, làm nứt dọc theo thanh thép rồi bong từng mảng.

Thấy trần nhà, mép ban công có vết nứt chạy dài kèm vệt nâu đỏ, hoặc mảng vữa bong lộ thép gỉ, cần báo người lớn để mời thợ hoặc kỹ sư kiểm tra. Đứng dưới những chỗ như vậy không an toàn. Vì lý do này, công trình ven biển phải dùng lớp bảo vệ dày hơn và bê tông đặc chắc hơn.

Bê tông dự ứng lực: kéo căng thép trước

Với những dầm cầu rất dài, kỹ sư còn làm một mẹo khéo hơn. Họ luồn những bó cáp thép cường độ cao qua dầm, dùng kích thuỷ lực kéo căng cáp, rồi neo chặt hai đầu. Cáp bị căng muốn co lại, nên nó ép chặt khối bê tông từ hai đầu vào. Khi xe chạy qua làm dầm võng, phần bê tông lẽ ra bị kéo thì nay chỉ bớt bị ép, chứ không bị kéo. Kiểu này gọi là bê tông dự ứng lực, do kỹ sư người Pháp Eugène Freyssinet phát triển trong thập niên 1920–1930. Nhiều nhịp cầu vượt và cầu qua sông ở Việt Nam dùng dầm dự ứng lực.

Mẹo này giống như khi bạn bê một chồng sách bằng cách ép mạnh hai đầu chồng sách: không có gì đỡ ở giữa nhưng chồng sách vẫn không rơi, vì lực ép giữ chúng lại.

Thử làm: nhìn thấy nén và kéo bằng miếng mút

Thí nghiệm 1: miếng mút rửa bát

1. Lấy một miếng mút xốp dài (loại mút rửa bát hoặc mút xốp mềm). Dùng bút dạ vẽ những vạch thẳng đứng cách đều nhau khoảng một centimét dọc mặt bên.
2. Đặt miếng mút nằm ngang trên hai cuốn sách, hai đầu tựa lên sách, giữa bỏ trống như một cây cầu.
3. Ấn ngón tay vào giữa. Nhìn mặt bên: các vạch ở phía trên chụm lại gần nhau (bị nén), các vạch ở phía dưới toạc xa nhau (bị kéo).
4. Giờ kẹp một đầu miếng mút dưới chồng sách nặng, để đầu kia chìa ra như ban công, rồi ấn vào đầu chìa. Lần này vạch phía trên toạc ra, phía dưới chụm lại.

Thí nghiệm 2: viên phấn và băng dính

1. Đặt một viên phấn nằm ngang trên hai cuốn sách, ấn nhẹ vào giữa cho tới khi gãy. Nhìn vết gãy: thường bắt đầu nứt từ mặt dưới, nơi bị kéo.
2. Lấy viên phấn thứ hai, dán một dải băng dính trong dọc theo một mặt. Đặt lên sách với mặt có băng dính ở dưới, ấn lại. Phấn khó gãy hẳn hơn: băng dính đóng vai cốt thép.
3. Thử lại với băng dính ở trên. Băng dính gần như không giúp được gì. Thép đặt sai chỗ cũng vô ích như vậy.

Ghi lại kết quả vào vở, vẽ hình dầm với mũi tên "nén" và "kéo". Đó chính là bản vẽ đầu tiên mà sinh viên ngành xây dựng phải học.

Câu hỏi thường gặp

Vì sao bê tông phải có cốt thép?

Bê tông chịu nén rất tốt nhưng chịu kéo kém, sức chịu kéo chỉ khoảng một phần mười sức chịu nén. Cốt thép được đặt vào chỗ bị kéo để gánh lực đó, giúp dầm, sàn không nứt gãy.

Thép trong dầm đặt ở trên hay ở dưới?

Với dầm có hai đầu tựa lên cột, thép chịu lực chính đặt ở phía dưới vì mặt dưới bị kéo. Với ban công chìa ra một đầu, thép chính phải đặt ở phía trên vì mặt trên mới bị kéo.

Ai phát minh ra bê tông cốt thép?

Nhiều người ở Pháp cùng thử nghiệm vào giữa thế kỷ 19. Joseph Monier, một người làm vườn, được cấp bằng sáng chế năm 1867 cho chậu cây xi măng có lưới sắt. François Hennebique sau đó phát triển hệ khung cột, dầm, sàn liền khối.

Vì sao thép trong bê tông không bị gỉ?

Bê tông có tính kiềm, giúp mặt thép tạo một lớp màng mỏng tự bảo vệ. Khi lớp bê tông ngoài bị nứt, mất kiềm hoặc bị muối biển ngấm vào, thép mới bắt đầu gỉ.

Bê tông dự ứng lực là gì?

Đó là bê tông có cáp thép được kéo căng rồi neo lại, ép chặt khối bê tông từ trước. Nhờ vậy dầm chịu được tải lớn và vượt nhịp dài hơn, thường dùng cho cầu và sàn nhịp lớn.