Giáo trình Vật liệu xây dựng - NXB Giao Thông Vận Tải_06 ppt

154
Tup núi lửa có khối lượng thể tích khoảng 800 - 1800 kg/m
3
, cường ñộ
chịu nén 100 - 500 daN/cm
2
. Mạt ñá từ tup núi lửa thường ở dạng vô ñịnh hình
nên sẽ có lợi trong việc nâng cao cường ñộ và ñộ bền vững của bê tông.

Tup ñá vôi và ñá vôi vỏ sò. Tup ñá vôi có khối lượng thể tích trung bình
1400 - 1500 kg/m
3
và cường ñộ chịu nén khoảng 30 - 70 daN/cm
2
. ðá vôi vỏ sò
gồm những mảnh vỏ sò gắn kết lại với nhau, có cường ñộ chịu nén không cao
(khoảng 10 - 40 daN/cm
2
) nhưng có khối lượng thể tích lại khá cao (1200 -
1800 kg/m
3
).

Keramzit là loại sỏi gốm hình cầu hoặc hình bầu dục, mặt ngoài nhẵn,
bên trong có nhiều lỗ rỗng nhỏ và kín, cường ñộ cao, khối lượng thể tích
khoảng 50 - 200 kg/m
3
, ñộ hút nước không lớn. Cát keramzit ñược sản xuất
bằng cách nghiền sỏi keramzit. Cát keramzit có cường ñộ không lớn nên
thường ñược trộn với cát thiên nhiên.

Agloporit ñược chế tạo từ nguồn nguyên liệu phong phú như ñất sét, á
sét, á cát, xỉ và tro nhiệt ñiện bằng cách nung. Nung agloporit tốn ít nhiên liệu
hơn keramzit. Agloporit có lỗ rống thông nhau, bề mặt hạt nháp, cường ñộ thấp
(20 - 100 daN/cm
2
), khối lượng thể tích khoảng 700 - 1500 kg/m
3
. Agloporit
ñược nghiền thành cát agloporit.
Xỉ lò cao nở phồng ñược sản xuất bằng cách làm nguội ñột ngột khối xỉ
làm cho chúng nở phồng, cho kết khối rồi nghiền ra. Loại này có cường ñộ
khoảng 25 - 150 daN/cm
2
, khối lượng thể tích 600 - 1500 kg/m
3
. Chúng có hình
dạng phức tạp nhiều góc cạnh, mặt ngoài nháp, có nhiều lỗ rỗng hở, thông
nhau.

8.3. Tính chất của bê tông nhẹ:
Cường ñộ. Tuỳ theo cường ñộ nén bê tông nhẹ cốt liệu rỗng ñược phân
ra các loại mác : M - 25; M - 35; M - 50; M - 75; M - 100; M - 150; M - 200;
M - 250; M - 300; M - 350; M - 400. Cường ñộ của nó phụ thuộc vào nhiều yếu
tố như N/X, mác xi măng, cường ñộ và ñặc trưng bề mặt của cốt liệu. Khác với
bê tông nặng, thành phần bền vững trong bê tông nhẹ là vữa xi măng, thành
phần yếu là cốt liệu rỗng. ðể chế tạo bê tông nhẹ cường ñộ cao với khối lượng
thể tích 1600 - 1800 kg/m
3
người ta dùng cốt liệu rỗng có cường ñộ cao hơn có

khối lượng thể tích 600 - 800 kg/m
3
, còn cát rỗng ñược thay thế một phần hay
toàn bộ bằng cát ñặc.
Khi giảm khối lượng thể tích làm cho khả năng cách nhiệt bê tông tăng.
Khối lượng thể tích của bê tông ñược giảm ñi bằng cách lựa chọn khối lượng

155
thể tích và thành phần hạt của cốt liệu và tăng tối ña hàm lượng của nó (có
nghĩa là giảm lượng dùng xi măng). Việc dùng xi măng mác cao (gấp 4 - 6 lần
cường ñộ bê tông) cũng là biện pháp giảm lượng dùng xi măng. Việc tạo rỗng
trong ñá xi măng bằng cách sử dụng một lượng phụ gia tạo khí và tạo bọt là
biện pháp giảm khối lượng thể tích bê tông quan trọng nhất, trong khi ñó những
lỗ rỗng nhỏ phân bố ñều ñược tạo ra không làm giảm ñáng kể cường ñộ bê
tông.

CÂU HỎI ÔN TẬP
7. ðịnh nghĩa và phân loại bê tông?
8.
Vật liệu chế tạo?
9. Thiết kế thành phần bê tông?
10. Các tính chất chủ yếu?
11. Công nghệ chế tạo bê tông?
12. Các hướng sử dụng bê tông trong kết cấu cầu ñường?

3.3 Tính chống thấm
Vữa ở mặt ngoài của công trình chịu áp lực cần phải có tính chống thấm
thích hợp .
Tính chống thấm ñược xác ñịnh bằng cách cho mẫu vữa dày 2cm chịu áp lực
nước, lúc ñầu 0,5 at rồi ñể 24 giờ tăng lên 1 at, sau 2 giờ - 1,5 at, sau 3 giờ - 2

at, rồi ñể 24 giờ mà nước không thấm qua mẫu thì coi là vữa có tính chống
thấm.
ðộ chống thấm của vữa kí hiệu B
2
, B
4
, B
6
, B
8
.

3.4 Cường ñộ của vữa
Cường ñộ chịu nén của vữa ñược xác ñịnh bằng thí nghiệm mẫu vữa hình
lập phương có cạnh 7,07 cm ở tuổi ñược tiêu chuẩn hoặc ñiều kiện kỹ thuật quy
ñịnh cho từng loại vữa (7, 14 hoặc 28 ngày ) .
Khuôn ñúc có thể là khuôn thép có ñáy ứng với nền không hút nước và
khuôn thép không ñáy (ñáy lót bằng giấy ẩm) ứng với nền hút nước trong thực
tế xây dựng.
Cường ñộ vữa xi măng ở tuổi 28 ngày trên nền không hút nước phụ thuộc
vào cường ñộ vữa xi măng, vào N/X và ñược xác ñịnh theo công thức của N.A.
Popov:
R
V
= 0,25 R
x
(
N
X
- 0,4 ).

156
Cường ñộ của vữa xi măng vôi trên nền xốp hút nước ( gạch ) chỉ phụ thuộc
vào lượng dùng xi măng mà không phụ thuộc vào X/N vì lượng nước sau khi bị
nền hút còn lại hầu như bằng nhau :
R
V
= KR
x
( X - 0,05 ) + 4 ; N/m
2

trong ñó : X - lượng xi măng, T/m
3
cát ;
K - hệ số phụ thuộc vào chất lượng cát. ðối với cát lớn K = 1.0; ðối
với cát trung bình K = 0,8; ðối với cát nhỏ K = 0.6. Mác xi măng
xác ñịnh theo phương pháp cứng.
Cường ñộ của vữa hỗn hợp phụ thuộc vào lượng vôi(hoặc sét) sử dụng.
Cường ñộ chịu kéo khi uốn :
Kích thước mẫu thử 40 x 40 x 160 mm ( TCVN 3121-79 )
Dùng máy thuỷ lực 5T, giới hạn bền tính bằng N/m
2
( 10
-5
daN/cm
2
) theo
công thức sau:
R

uv
=
2
2
3
hb
LP
( lực ñặt ở L/2 )
Tốc ñộ phát triển cường ñộ của vữa dùng xi măng pooclăng tương tự như sự
phát triển cường ñộ bê tông xi măng, có thể dùng phụ gia ñể ñiều chỉnh tốc ñộ
ñó.
Dựa vào cường ñộ của tuổi 28 ngày , người ta chia vữa ra các loại mác sau:
4, 10, 25, 50, 75, 100, 150, 200, 300, 400 và lớn hơn.

4. LỰA CHỌN THÀNH PHẦN CỦA VỮA.
Thành phần vữa thường ñược xác ñịnh bằng tỉ lệ về thể tích giữa các thành
phần với nhau. Tuỳ theo loại vữa, mác vữa mà có những phương pháp tính
thành phần khác nhau.

4.1- Cấp phối vữa vôi
Cấp phối vữa vôi ñược chọn dựa vào chất lượng vôi và xác ñịnh theo tỷ lệ
thể tích của vôi và cát.
Vôi cấp 3 : V : C = 1 : 2
Vôi cấp 2 : V : C = 1 : 3
Vôi cấp 1 : V : C = 1 : 4
4.2 - Cấp phối vữa hỗn hợp xi măng - vôi , xi măng - sét .
Cấp phối vữa ñược biểu diễn bằng tỉ lệ xi măng : vôi : cát như sau :
1 : V : C .
Cấp phối vữa hỗn hợp còn có thể xác ñịnh bằng cách tra bảng hoặc tính toán
bằng công thức thực nghiệm .

157

Bảng 6.4. Giới thiệu cấp phối của vữa xi măng - vôi .
Tỉ lệ phối hợp theo thể tích của vữa mác
Mác xi
măng
( chất kết
dính)
100 75 50 25 10
600

500

400

300

250
200
150
100
1 : 0,4 : 4,5


1 : 0,3 : 4

1 : 0,2 : 3

-

-
-
-
-

1 : 0,7 : 6

1 : 0,5 : 4

1 : 0,3 : 0,4


1 : 0,2 : 3

-
-
-
-

1 : 0,7 : 8
1 : 1 : 9
1 : 0,7 : 8
1 : 1 : 8
1 : 0,7 : 6

1 : 0,4 : 5

1 : 0,2 : 3
1 : 0,1 : 2,5

-
-
-

-

1 : 0,7 : 8

1: 1 : 10
1 : 0,7 : 8

1: 1 : 10
1 ; 0,7 : 6
1 : 0,5 : 5
1 : 0,3 : 3,5
1 : 0,1 : 2
-

-

-

-

-
-
1 : 0,7 : 8
1 : 1 : 9
1 : 0,5 ; 5

4.3- Phương pháp tính toán thành phần vữa cát - xi măng - vôi .
Việc tính toán ñược tiến hành theo các bước sau :
Tính lượng dùng xi măng ứng với 1 m
3
cát ( hoặc 1 m
3
vữa )


4
0,05
.
V
X
R
X
K R
−
= +
, tấn /m
3
cát
Tính thể tích cát:

X
C
X
γ
=

, m
3
/m
3
xi măng
Tính lượng vôi nhuyễn ( sét nhuyễn )
V = 0,15 C - 0,3
hoặc V = [ 170 ( 1 - 0,002.X )] . 1000, m
3

Lượng nước ñược xác ñịnh theo yêu cầu ñộ dẻo cường ñộ vữa ( ñộ cắm sâu
của quả chuỳ ) hoặc bằng công thức gần ñúng :
N = 0,65 ( X + V . γ
v
)
trong ñó:
γ
v
- khối lượng thể tích của vôi nhuyễn, kg/l. Lượng nước thực
tế ñược diều chỉnh chính xác bằng thí nghiệm ñể ñạt ñộ dẻo yêu cầu của vữa.

158
Thành phần của xi măng vôi ñược biểu thị như sau:

V
X
V
V
V
v

c
X
1
=


4.4. Thành phần vữa xi măng.

Thành phần vữa xi măng thường ñược lựa chọn theo bảng có sẵn .
Tỉ lệ
4
1
;
3
1
;
2
1
=
C
X
- tuỳ theo yêu cầu về cường ñộ và khối lượng thể tích
Tỉ lệ
0.4
0.25.
v
X
R
X
N R

= +

Với kết cấu xi măng lưới thép tỉ lệ X/N có thể chọn từ 1/3 - 1/4. Lượng xi
măng dùng thường từ 650 - 800 kg/m
3
vữa .
Như vậy ñể chế tạo vữa xi măng - cát lượng xi măng dùng lớn hơn khoảng 2
lần so với lượng xi măng cho bê tông .
CÂU HỎI ÔN TẬP
1. ðịnh nghĩa và phân loại?
2.
Các tính chất chủ yếu?
3.
Phương pháp lựa chọn thành phần?


CHƯƠNG 7
VẬT LIỆU KIM LOẠI

Vật liệu kim loại là vật liệu ñược chế tạo từ kim loại hoặc hợp kim của
chúng
Kim loại ñen dùng trong xây dựng là thép và gang. Kim loại màu thường
dùng trong xây dựng là hợp kim nhôm.
Vật liệu kim loại thường ñược sử dụng trong các công trình cầu, ñường
sắt, công trình thể thao, các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp.
Chúng có ưu ñiểm là cường ñộ chịu lực cao, nhẹ hơn bê tông cốt thép, vượt
ñược khẩu ñộ lớn và an toàn trong khai thác.
Nhược ñiểm cơ bản của kết cấu thép là giá thành cao và
dễ bị ăn mòn,
cần chú ý bảo vệ thường xuyên.

1. PHÂN LOẠI
Kim loại ñược chia làm hai loại: kim loại ñen và kim loại màu.

159
Kim loại ñen (thép và gang) là hỗn hợp sắt - các bon với một số nguyên tố
khác như silic, mangan, phôtpho, lưu huỳnh, v.v Việc chia ra thép và gang chủ
yếu dựa vào hàm lượng C trong hợp kim. Gang có hàm lượng C ≥ 2%; trong
gang thường C ≤ 6%. Thép là hợp kim của sắt - các bon có hàm lượng các bon
< 2%. Theo hàm lượng cácbon chia ra: thép các bon thấp (≤ 0,25%), trung bình
(0,25 - 0,6%) và cao (0,6 - 2%).
Khi tăng lượng cácbon, tính chất của thép cũng thay ñổi: ñộ dẻo giảm,
cường ñộ và ñộ giòn tăng. Trong các kết cấu xây dựng chịu tải trọng ñộng thì
nên dùng thép các bon thấp.
ðể tăng cường các tính chất kỹ thuật của thép có thể cho thêm những
nguyên tố kim loại khác như mangan, crom, niken, molipñen, nhôm, ñồng,
Nếu tổng lượng các nguyên tố này
≤ 2,5% thì gọi là thép hợp kim thấp, từ 2,5
ñến 10% - thép hợp kim vừa, >10% - thép hợp kim cao. Trong xây dựng chỉ
dùng thép hợp kim thấp.
Thành phần các nguyên tố khác trong thép khoảng 1%.
Nhờ các nguyên tố thêm vào mà tính chống ăn mòn, tính ñàn hồi và các
tính chất kỹ thuật khác của thép và gang ñược tăng cường.
Kim loại màu ñược chia làm hai loại : nhẹ và nặng. Nhôm và magiê thuộc
loại nhẹ. Loại nặng bao gồm : ñồng, thiếc và hợp kim, ñược dùng trong các
công trình ñặc biệt ñể chống ăn mòn do khí quyển.


2. CẤU TRÚC TINH THỂ KIM LOẠI
Tất cả các kim loại và hợp kim của chúng khi ở trạng thái rắn ñều là chất
kết tinh (cấu trúc tinh thể). Chúng có nhiệt ñộ nóng chảy (hoặc ñông cứng) nhất

ñịnh, có nghĩa là có sự thay ñổi rõ rệt từ trạng thái nguyên tử sắp xếp không trật
tự (lỏng) sang trạng thái có trật tự (rắn, kết tinh). Mạng tinh thể là mô hình
không gian
mô tả của sự sắp xếp các chất ñiểm trong chất kết tinh.
2.1. Các dạng mạng tinh thể thường gặp của kim loại
Trong các kim loại thường hay gặp ba dạng mạng tinh thể : lập phương
thể tâm, lập phương diện tâm và lục giác xếp chặt. Trong thép nhiệt luyện, hay
gặp mactenxit có kiểu mạng lập phương thể tâm.

160

Hình 7.1. Mạng lập phương thể tâm
a. mạng tinh thể; b, c. ô mạng cơ sở
Các nguyên tử (ion) nằm ở các ñỉnh và ở giữa (tâm) các khối lập phương.
Hình 7.1.a trình bày một phần của mạng tinh thể lập phương thể tâm, còn các
hình 7.1.b và 7.1.c trình bày một ô mạng cơ sở của nó; trong ñó hình 7.1.b vẽ
một cách quy ước, còn hình 7.1.c biểu diễn gần như thật. Trường hợp này các
nguyên tử (như các quả cầu) ở các ñỉnh của hình lập phương không tiếp xúc
trực tiếp với nhau nhưng lại cùng tiếp xúc với nguyên tử nằm ở tâm khối; hay
nói khác ñi : theo các cạnh và theo ñường chéo các mặt của hình lập phương
thì các nguyên tử nằm cách rời nhau, còn theo ñường chéo của khối lập phương
thì các nguyên tử nằm sát nhau.
Các kim loại Fe, Cr, W, Mo, có kiểu mạng này.
Trong mạng lập phương diện tâm (hình 7.2), các nguyên tử (ion) nằm ở
các ñỉnh và giữa (tâm) các mặt của hình lập phương. Bốn nguyên tử ở trên bốn
ñỉnh của mặt thì không tiếp xúc với nhau nhưng lại cùng tiếp xúc với nguyên tử
nằm ở giữa mặt. Mạng lập phương diện tâm ñặc trưng cho cấu trúc của Fe, Cu,
Ni, Al, Pb,

161

Hình 7.2. Mạng lập phương
diện tâm
a. và b. Ô mạng cơ sở
Hình 7.3. Mạng lục giác
xếp chặt
a. và b. Ô mạng cơ sở
Mạng lục giác xếp chặt : Hình 7.3. trình bày một ô mạng cơ sở lục giác
xếp chặt, trong ñó 12 nguyêm tử nằm ở các ñỉnh, 2 nguyên tử nằm ở giữa hai
mặt ñáy của hình lăng trụ lục giác và 3 nguyên tử nằm ở trung tâm ba khối lăng
trụ lăng trụ tam giác cách nhau.
Các kim loại Be, Mg, Ti và Co có kiểu mạng lục giác xếp chặt.

2.2. Tính thù hình của kim loại
Nhiều kim loại có ñặc tính là ở các nhiệt ñộ và áp suất khác nhau cùng
một nguyên tố có thể tồn tại ở những kiểu mạng khác nhau. Tính chất này gọi là
tính thù hình; những kiểu mạng tinh thể khác nhau của cùng một kim loại ñược
gọi là các dạng thù hình.
Các dạng thù hình của cùng một nguyên tố ñược kí hiệu bằng các chữ cái
Hi lạp α, γ, β, δ, v.v trong ñó α thông thường là dạng tồn tại ở nhiệt ñộ thấp,
còn
β, γ, δ lần lượt ở các nhiệt ñộ cao hơn. Khi biến ñổi dạng thù hình có thể sẽ
gây ra các biến ñổi quan trọng về thể tích và tính chất của kim loại.

2.3. Sự kết tinh của kim loại
Phần lớn các kim loại sản xuất ra ñược luyện bằng phương pháp nấu
chảy, sau ñó ñem ñúc ñể thành hình sản phẩm hay bán thành phẩm. Chất lượng
của vật ñúc phụ thuộc vào quá trình chuyển biến từ trạng thái lỏng sang trạng
thái tinh thể (rắn), tức là quá trình kết tinh.

Quá trình kết tinh hình thành mạng tinh thể từ trạng thái lỏng là sự kết
tinh lần thứ nhất; phân biệt với sự chuyển mạng tinh thể ở trạng thái rắn (biến
ñổi thù hình) ñược gọi là sự kết tinh lần thứ hai. Mỗi kim loại tinh khiết khi kết

162
tinh có sự ñột biến từ trạng thái sắp xếp nguyên tử không trật tự sạng trạng thái
có trật tự ở một nhiệt ñộ nhất ñịnh.
Quá trình kết tinh của kim loại là một quá trình rất phức tạp. Khi hạ nhiệt
ñộ xuống thấp hơn nhiệt ñộ kết tinh lý thuyết (T
s
) trong kim loại lỏng xuất hiện
những phần tử rắn rất nhỏ có cấu trúc tính thể, các mầm phát triển và trở thành
tinh thể.
Trong thực tế, quá trình kết tinh bắt ñầu ứng với nhiệt ñộ kết tinh thực
T
k
. Sự khác nhau giữa nhiệt ñộ kết tinh lý thuyết và nhiệt ñộ kết tinh thực là
T=T
s
-T
k
ñược gọi là ñộ quá nguội. Tốc ñộ nguội càng lớn thì ñộ quá nguội càng
lớn và dẫn ñến làm giảm nhiệt ñộ kết tinh thực. Với tốc ñộ nguội chậm sự kết
tinh xảy ra ở nhiệt ñộ không ñổi (ñoạn nằm ngang trên biểu ñồ trạng thái).
Ngoài ra, tốc ñộ nguội còn ảnh hưởng ñến cấu trúc kim loại và ñộ ñồng nhất
của nó.
ðộ quá nguội ảnh hưởng ñến tốc ñộ kết tinh và cấu trúc của kim loại vì
nó ảnh hưởng ñến tốc ñộ tạo mầm và tốc ñộ phát triển kích thước của tinh thể.
Khi ñộ quá nguội nhỏ kim loại sẽ có cấu trúc hạt lớn (chất lượng kim loại thấp).
Khi ñộ quá nguội lớn thì tốc ñộ tạo mầm lớn, tốc ñộ phát triển mầm lớn, kim

loại sẽ có cấu trúc hạt nhỏ (tính chất cơ học của kim loại tốt).

2.4. Cấu trúc tinh thể của vật ñúc
Kim loại lỏng sau khi luyện xong ñược ñem ñúc thành thỏi hay thành sản
phẩm. Cấu tạo tinh thể của vật ñúc cũng như thỏi ñúc có quan hệ mật thiết ñến
cơ tính cũng như tính gia công áp lực khi cán tiếp theo.
Hình dạng và ñộ lớn của hạt tinh thể tạo thành phụ thuộc vào ñộ quá
nguội, tốc ñộ và phương tản nhiệt. Với các vật ñúc và thỏi ñúc khác nhau các
ñiều kiện kể trên có thể rất khác nhau, do ñó chúng có cấu trúc tinh thể không
giống nhau.
Trong thỏi ñúc, từ ngoài vào trong nói chung có ba khu vực kết tinh ñiển
hình (hình 7 -4 ).

Vùng 1 gồm các hạt tinh thể nhỏ không ñịnh hướng. Do kim loại lỏng ở lớp
ngoài cùng bị nguội ñột ngột, hơn nữa do tiếp xúc với thành khuôn nguội nên
kết tinh với ñộ quá nguội lớn và hạt nhỏ.
Vùng 2 (trung gian ) là vùng tinh thể hình trụ (gồm các hạt dài có trụ vuông
góc với thành khuôn ). Vùng này kết tinh sau lớp vỏ ngoài.
Vùng 3 (trung tâm ) là vùng tinh thể có cấu tạo hạt lớn, hình nhánh cây có
hướng khác nhau.


163






Hình 7.4. Sơ ñồ cấu trúc tinh thể của thỏi ñúc

3. CẤU TẠO CỦA HỢP KIM VÀ BIỂU ðỒ TRẠNG THÁI
3.1. Cấu tạo của hợp kim
Trong xây dựng ít sử dụng kim loại nguyên chất mà thường sử dụng hợp
kim. Hợp kim có thể chứa hai hoặc nhiều nguyên tố kim loại khác nhau.
Tuỳ thuộc vào ñặc tính tác dụng giữa các thành phần của hợp kim mà ta
có hợp kim là hỗn hợp cơ học, dung dịch rắn hay hợp chất hoá học.
Hỗn hợp cơ học bao gồm từ hai thành phần trở lên, chúng không có khả
năng tạo thành dung dịch rắn và cũng không có khả năng liên kết hóa học. Hỗn
hợp chỉ có hai thành phần gọi là hai hệ thống pha. Thép là hợp kim phổ biến
nhất, là hỗn hợp cơ học của hai pha : ferit (dung dịch rắn xen kẽ các bon trong
αFe) và xementit (Fe
3
C). Thép với hàm lượng các bon và chế ñộ nhiệt luyện
khác nháu sẽ tạo ra hỗn hợp cơ học của hai pha có số lượng, hình dạng và kích
thước tinh thể của pha khác nhau, làm cho tính chất cơ học thay ñổi trong phạm
vi rộng thích hợp cho những mục ñích sử dụng khác nhau.
Dung dịch rắn là hợp kim trong ñó một kim loại (chiếm phần cơ bản) là
dung môi và một kim loại chiếm phần ít hơn - là kim loại hoà tan. Kim loại là
dung môi vẫn giữ nguyên ñược cấu tạo mạng, còn kim loại hoà tan không giữ
ñược cấu tạo mạng mà phân tán vào trong kim loại dung môi.
Tùy theo cách phân bố của kim loại hòa tan trong mạng tinh thể của kim
loại dung môi mà ta có hai dạng dung
dịch rắn thay thế và xen kẽ (hòa tan).

164
Trong dung dịch rắn thay thế, các nguyên tử hoà tan thay thế các nguyên
tử dung môi tại các nút mạng. Trong dung dịch rắn hòa tan nguyên tử hòa tan
hòa tan vào dung môi với một hàm lượng bất kỳ.
Hợp kim cũng có thể là hợp chất hóa học, cấu tạo từ một số nguyên tố,
thí dụ từ hai nguyên tố A và B tạo nên công thức AmBn. Mạng tinh thể của

AmBn khác với mạng tinh thể của A và B.
3.2. Biểu ñồ trạng thái của hợp kim
Biểu ñồ trạng thái là biểu ñồ biểu thị sự phụ thuộc của trạng thái pha
(trạng thái tổ chức) vào thành phần hoá học của hợp kim và nhiệt ñộ kết tinh
cân bằng. Biểu ñồ trạng thái ñược xây dựng theo các số liệu thực nghiệm.
Từ biểu ñồ trạng thái của hợp kim xác ñịnh ñược nhiệt ñộ chảy, nhiệt ñộ
chuyển pha, chế ñộ nhiệt và công nghệ gia công hợp kim, dự ñoán tính chất của
hợp kim .
Khi làm nguội từ từ các kim loại nguyên chất (hệ có một nguyên tố) thì
nhiệt ñộ cũng ñược giảm ñều ñều cho tới khi xuát hiện pha kết tinh. Quá trình
kết tinh hoàn toàn xảy ra ở một nhiệt nhiệt ñộ không ñổi (ñoạn nằm ngang trên
ñường nguội). Sau ñó nhiệt ñộ tiếp tục giảm trên biểu ñồ nhiệt ñộ - thời gian
với một tốc ñộ khác.
Khi làm nguội từ từ hợp kim hai nguyên tố, ñường nguội có hình phức
tạp hơn. Nếu thay ñổi tỷ lệ của từng nguyên tố tạo nên hợp kim sẽ dẫn ñến sự
thay ñổi nhiệt ñộ kết tinh của hợp kim sẽ dẫn ñến sự thay ñổi nhiệt ñộ kết tinh
của hợp kim. Biểu ñồ trạng thái hai nguyên tố (cấu tạo) biểu thị quan hệ giữa
nhiệt ñộ và thành phần hợp kim. Mỗi ñiểm trên trục hoành sẽ có một hợp kim
có thành phần xác ñịnh theo trục tung. Khoảng diện tích giữa hai trục, ñược
các ñường chia thành các vùng có trạng thái tổ chức giống nhau.
Theo các số liệu thực nghiệm xây dựng ñược biểu ñồ trạng thái của hợp
kim bằng cách chuyển các ñiểm ñặc tính ở biểu ñồ nhiệt ñộ - thời gian sang
biểu ñồ nhiệt ñộ - thành phần.
Hợp kim sắt - cácbon
Hợp kim sắt - các bon (thép và gang) có hai cấu tử chính là sắt và cácbon
.
Sắt là nguyên tố kim loại thuộc nhóm 6 của hệ thống tuần hoàn các
nguyên tố hoá học. Nó có khối lượng nguyên tử bằng 56, nhiệt ñộ nóng chảy
1539
o

C. Hợp chất hoá học của sắt và các bon có công thức Fe
3
C. Sắt nguyên
chất (99,8 - 99,9% Fe) có giới hạn bền kéo 2500 daN/cm
2
, giới hạn chảy 1200
daN/cm
2
, ñộ giãn dài tương ñối là 50%.

165
Sắt có các dạng thù hình αFe, γFe, βFe, δFe, song chỉ αFe và γFe là có ý nghĩa
thực tế.
Sắt có hai kiểu mạng tinh thể : lập phương thể tâm và lập phương diện
tâm.
Mạng tinh thể lập phương thể tâm tồn tại ở hai khoảng nhiệt ñộ : dưới
910
o
C là βFe; dưới 768
o
C là αFe có từ tính.
Mạng lập phương diện tâm tồn tại ở khoảng 910 - 1392
o
C là γFe. ở nhiệt
ñộ 898
o
C thì γFe chuyển thành βFe, và ở nhiệt ñộ 768
o
C βFe chuyển thành αFe.

γFe có ý nghĩa thức tế rất lớn, nó hoà tan ñến 2,14 % các bon ở nhiệt ñộ
1147
o
C tạo nên dung dịch rắn là auxtenit.
Khả năng hoà tan C trong
αFe rất thấp (0,02 % C ñến 0,006%). Dung
dịch rắn của
αFe và các bon là ferit.
Sắt và các bon tạo nên hợp chất hoá học Fe
3
C với 6,67 % gọi là xementit.
Xememtit có cấu trúc tinh thể rất phức tạp, nhiệt ñộ nóng chảy ở khoảng
1500
o
C.
Ferit có tính dẻo và dai cao, cường ñộ không cao (R
k
= 2500 daN/cm
2
, ñộ
giãn dài tương ñối 50%). Auxtenit có ñộ dẻo cao, giới hạn cường ñộ chịu kéo
thấp ( 2200 daN/cm
2
). Xementit có ñộ dẻo thấp, ñộ cứng cao (HB = 100
daN/mm
2
), giòn.

Hình 7.5. ðường nguội của sắt tinh khiết.

Biểu ñồ trạng thái của hợp kim sắt - các bon.

166
Trên biểu ñồ hình 7.6. trình bày cấu tạo pha và cấu tạo của hợp kim với
thành phần từ sắt nguyên chất ñến xementit (C = 6,67 %). Trên trục hoành trình
bày lượng C, % theo khối lượng , và tỉ lệ xementit tương ñương(0 - : - 100%),
còn trục tung là nhiệt ñộ.
ðiểm A,D trên biểu ñồ biểu thị nhiệt ñộ nóng chảy của sắt nguyên
chất(1539
o
C) và xementit (1500
o
C), ñường ABCD - ñường lỏng , ANJECF -
ñường ñặc. Hợp kim lỏng (L) là dung dịch lỏng của C trong sắt tồn tại trên
ñường ABCD.

Hình 7.6. Giản ñồ trạng thái sắt - các bon (sắt xementit)
Khi nguội, hợp kim lỏng bắt ñầu kết tinh và sau ñó rắn chắc - ñó là quá
trình thay ñổi cấu trúc pha, tức các dạng thù hình của sắt, thay ñổi ñộ hoà tan
của các bon vào auxtenit và ferit.
Theo lượng cácbon trong hợp kim sắt - các bon chia ra thép (C = 0 -
2,14%) và gang có lượng các bon lớn hơn 2,14%.
ðiểm E (C = 2,14%) là ñiểm giới hạn ñể phân biệt thép và gang.
Theo lượng các bon chia ra ba loại thép :
- Thép trước cùng tinh có thành phần các bon nhỏ hơn 0,8% với tổ chức
peclit (P) và ferit (F), hợp kim rất ít các bon (C ñến 0,02%, ứng với ñiểm P trên
biểu ñồ ) - gọi là sắt kỹ thuật. Sự kết tinh của thép trước cùng tinh theo ñường
ABC và ANJE.

167

- Thép cùng tinh có thành phần các bon 0,8%, tổ chức peclit (trên ñường
PSK, t
o
= 727
o
C).
- Thép sau cùng tinh có thành phần các bon lớn hơn 0,8% và ñến 2,14%.
Khi nhiệt ñộ lớn hơn ñường SE trong thép chỉ có auxtenit (
γ). Khi nhiệt ñộ nhỏ
hơn ñường SE (nhỏ hơn 727
o
C) thép sau cùng tinh có tổ chức peclit và
xementit thứ hai ( XeII).
Gang theo thành phần các bon cũng chia ra 3 loại :
- Gang trắng trước cùng tinh có C nhỏ hơn 4,3% (phân bố giữa ñường
BC và ED), tạo ra từ hai pha : lỏng và auxtenit (L + γ). ở nhiệt ñộ cùng tinh
1147
o
C hợp kim lỏng kết tinh tạo ra lêñêburit (Le). Gang trước cùng tinh ở giữa
ñường EC, PSK (727
o
C) có các tổ chức auxtenit, xementit thứ 2 (XeII) và
lêñêburit (γ + Xe). Dưới 727
o
C auxenit chuyển thành peclit.
- Gang cùng tinh có thành phần C = 4,3% (ñiểm C) chỉ có một tổ chức là
lêñêburit (γ + Xe).
- Gang sau cùng tinh có thành phần các bon lớn hơn 4,3% với tổ chức
lêñêburit và xementit thứ nhất (XeI).
Như vậy các tổ chức của hợp kim sắt - các bon như sau : xementit (XeI,

XeII), ferit (F), auxenit (
γ) là tổ chức một pha (ñã trình bày ở phần trên). Tổ
chức hai pha gồm : peclit (P) là hỗn hợp cơ học của ferit và xementit (F + Xe),
có tính chất là trung gian kết hợp giữa ferit và xementit. Peclit có ñộ cứng, ñộ
bền cao, ñộ dẻo thấp (giới hạn ñộ bền từ 8200 - 13300 daN/cm
2
, ñộ giãn dài
tương ñối 11%).
Lêñêburit là hỗn hợp cơ học của ferit và xementit. Lêñêburit rất cứng và
giòn.
4. CÁC TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU KIM LOẠI
4.1. Biến dạng
ðặc trưng cho biến dạng của kim loại là ñộ giãn dài tương ñối và ñộ thắt
tương ñối.
ðộ giãn dài tương ñối
ε là tỷ số phần trăm giữa ñộ giãn dài tuyệt ñối sau
khi kéo
∆l và ñộ dài ban ñầu lo của mẫu và ñược xác ñịnh theo công thức:

0
100
l
l
ε
∆
= ×
, %
ðộ dẻo của thép ñược xác ñịnh theo lượng biến dạng dư (tức là biến dạng
sau giới hạn ñàn hồi ) cho ñến khi ñứt, ño bằng ñộ giãn dài toàn bộ tính theo %
so với chiều dài mẫu thử. Ký hiệu

δ, %
ðộ thắt tương ñối ψ ñược xác ñịnh theo công thức :

168
0
0
100
k
F F
F
ψ
−
= ×
, %
trong ñó: F
o
và F
k
là diện tích tiết diện ban ñầu và khi có biến dạng thắt (ñứt).
Biến dạng ñàn hồi có quan hệ giữa ε và σ là bậc nhất (biến dạng mất ñi
khi ngừng tác dụng của tải trọng). Quan hệ giữa biến dạng ñàn hồi và ứng suất
theo phương trình sau:
,
t
E
σ
ε
=

trong ñó : E- Mô ñun ñàn hồi của thép bằng 200.000MPa

4.2. Cường ñộ và biểu ñồ quan hệ giữa cường ñộ và biến dạng
ðể xác ñịnh các tính chất cơ học quan trọng nhất của thép như giới hạn
chảy, cường ñộ chịu kéo (giới hạn bền) và ñộ giãn dài thường dùng thí nghiệm
kéo mẫu thử tiêu chuẩn (TCVN hoặc ASTM A370). ðặc trưng cơ học của thép
là các chỉ tiêu sau : Giới hạn ñàn hồi, mô ñun ñàn hôì, giới hạn chảy ( cường ñộ
chảy), cường ñộ bền kéo ñứt. ðường cong ứng suất biến dạng tiêu biểu khi chịu
kéo của 3 loại thép các bon thấp cường ñộ cao, thép cường ñộ cao ñược ghi trên
hình 7.7.

Hình 7.7. Các ñường cong ứng suất – biến dạng
Giới hạn ñàn hồi (
σ
ð
) là ứng suất lớn nhất ứng với tải trọng ñàn hồi

169

0
F
p
dh
dh
=
σ
, daN/cm
2
; MPa (20-30MPa).

Giới hạn chảy σ
c
là ứng suất khi kim loại chảy (tải trọng không ñổi
nhưng ñộ giãn dài tiếp tục tăng)

0
F
P
C
C
=
σ
, daN/cm
2
;
MPa (25-35 MPa).
Trong kỹ thuật, người ta dùng giới hạn chảy quy ước σ
0,2
ñó là ứng suất
ứng với trạng thái có biến dạng dư bằng 0,2% chiều dài ban ñầu của mẫu.
Giới hạn bền
σ
B
(khi mẫu bị phá hoại) là cường ñộ chịu kéo lớn nhất của
thép.

0
max
B
P

F
σ
=
, daN/cm
2 ;
MPa (60-70 MPa) .
Thép gia công kéo nguội có giai ñoạn chảy rất ngắn, thường giới hạn ñàn
hồi và giới hạn chảy ñược tăng lên.
Các ñường cong ñều có một ñoạn thẳng (quan hệ bậc nhất cho ñến giới
hạn ñàn hồi) vùng làm việc ứng với ñoạn này gọi là vùng ñàn hồi, trong vùng
này việc gia tải và giảm tải ñều không gây biến dạng dư
Vùng tiếp theo thì quan hệ giữa ứng suất và biến dạng là phi tuyến ñược
gọi là vùng dẻo. Cường ñộ ở vùng này ñược gọi là giới hạn chảy, ñiểm chảy
không ñược xác ñịnh rõ dàng. Trong kỹ thuật ta quy ước một ñại lượng gọi là
cường ñộ chảy. ðó là ứng suất tại ñó biến dạng dư bằng 0.72% khi mẫu ñược
giảm tải ñến 0. Tiếp theo vùng dẻo ứng suất tiếp tục tăng lên ñến ứng suất lớn
nhất trước khi ñứt ñược gọi là cường ñộ bền kéo ñứt. Vùng ở sau vùng dẻo gọi
là vùng củng cố.
4.3. ðộ bền xung kích (va chạm).
ðộ bền xung kích là khả năng của thép chống lại tác dụng của tải trọng
va chạm, ñược thí nghiệm trên mẫu có kích thước 1 x 1 cm và ñược ký hiệu là
a
K
, daN/cm
2
.(Xem chương 1)
4.4. ðộ cứng
ðộ cứng của kim loại dùng trong xây dựng ñược xác ñịnh theo phương
pháp Brinen. Giới hạn ñộ cứng của thép xây dựng từ 300 - 400.
4.5. Hệ số giãn nở nhiệt

Hệ số giãn nở nhiệt của các loại thép kết cấu là: 11,7 x 10
-6
mm/mm/
0
C

5. CÁC LOẠI THÉP XÂY DỰNG
Trong xây dựng chủ yếu sử dụng thép các bon và thép hợp kim thấp.
5.1. Thép các bon

170
Thép các bon là loại thép có thành phần hóa học chủ yếu là Fe và C (C <
2%); ngoài ra còn chứa một số nguyên tố khác nữa tùy theo ñiều kiện luyện
thép như sau:
Mn
≤ 0,8%, Si ≤ 0,5% ; P, S ≤ 0,05% ; Cr, Ni, Cu, W, Mo, Ti - rất ít (0,1 -
0,2%)
Mn, Si là hai tạp chất có tác dụng nâng cao cơ tính của thép các bon; P, S
là những tạp chất làm giảm chất lượng của thép, nâng cao tính giòn nguội trong
thép, nhưng lại tạo tính dễ cắt gọt cho thép.

Phân loại thép các bon:
- Theo phương pháp luyện thép chia ra ba loại thép các bon : Thép lò
Mactanh (cổ ñiển) : có chất lượng tốt, khử P, S khá tốt. Thép lò thổi oxy:
phương pháp này cho sản lượng cao, song khử P, S kém. Thép các bon ñặc biệt
: ñược chế tạo trong các lò ñiện.
- Theo
mức ñộ khử oxy thì chia thép ra thép sôi (khử chưa hết FeO), thép
lặng (khử hết FeO) và thép nửa lặng.
- Theo phạm vi sử dụng chia thép ra thép các bon xây dựng, thép các bon

chi tiết máy và thép công cụ.
- Theo chất lượng thép chia làm 4 loại: thường S không lớn hơn 0.06%, P
không lớn hơn 0.07%; tốt S nhỏ hơn 0.04%, P không lớn hơn 0.035%; chất
lượng cao S nhỏ hơn 0.025%, P nhỏ hơn 0.025%; ñặc biệt cao S và P ñều
không lớn hơn 0.015%.

a). Các loại thép các bon thường dùng trong xây dựng:
Vật liệu thép các bon thường ở dạng ñã qua cán nóng (tấm, thanh, dây,
thép hình chữ U, I, thép góc ) chủ yếu ñể dùng trong xây dựng. Thành phần
lưu huỳnh và phốt pho khá cao (S < 0,06%; P < 0,07%).
Thép các bon thường lại chia ra ba loại A, B, C.

Loại A là thép các bon thuờng chỉ quy ñịnh về cơ tính. Bảng 7.1. trình
bày cơ tính của thép các bon thường loại A của Việt nam và Nga (TCVN 1765 -
75 và tiêu chuẩn Nga 380 - 71). Tiêu chuẩn Việt nam quy ñịnh ký hiệu thép các
bon thường nhóm A bằng 2 chữ CT và sau ñó là cường ñộ chịu kéo, daN/mm
2
.
Bảng 7.1. Thép các bon loại A
Số hiệu thép Số hiệu thép
Nga VN
σ
σσ
σ
b
,
N/mm
2

σ

σσ
σ
0.2
,
N/mm
2

σ
σσ
σ, %
Nga VN
σ
σσ
σ
b
,
N/mm
2

σ
σσ
σ
0.2
,
N/mm
2

σ
σσ
σ, %

CT0
CT1
CT2
CT3
CT31
CT33
CT34
CT38
≥ 310
320-420
340-440
380-490
-
-
200
210
35
31
29
23
CT4
CT5
CT6
CT42
CT51
CT61
420-540
500-640
600
240

250
300
21
17
12

171

Loại B là thép các bon thường chỉ quy ñịnh về thành phần hóa học. Loại
thép này ñược dùng trong các kết cấu khi chế tạo phải gia công nhiệt (rèn, hàn,
nhiệt luyện). Theo tiêu chuẩn Việt Nam thép ñược ký hiệu là: BCT-giá trị
cường ñộ chịu kéo ñứt.

Thành phần hóa học của thép loại B ñược giới thiệu ở bảng 7.2. (Tiêu
chuẩn 380 - 71 Nga).
Bảng 7.2. Thép các bon loại B
Số hiệu thép Si trong thép,% S,% P,%
Nga VN
C,% Mn,%
Sôi Nửa lặng Lặng Không lớn hơn
CT0
CT1
CT2
CT3
CT4
CT5
CT6
BCT31
BCT33
BCT34

BCT38
BCT42
BCT51
BCT61
0.23
0.06-0.12
0.09-0.15
0.14-0.22
0.18-0.27
0.28-0.37
0.38-0.49

-
0.25-0.50
0.25-0.50
0.30-0.65
0.40-0.70
0.50-0.80
0.50-0.80

-
0.05
0.50
0.07
0.07
-
-
-
0.05-0.17
0.05-0.17

0.05-0.17
0.05-0.17
0.05-0.17
0.05-0.17

-
0.12-0.30
0.12-0.30
0.12-0.30
0.12-0.30
0.12-0.35
0.12-0.35

0.06
0.05
0.05
0.06
0.05
0.05
0.05
0.07
0.04
0.04
0.04
0.04
0.04
0.04

Tiêu chuẩn của Nga ký hiệu là CT và sau ñó là chỉ số 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 (
chỉ số nhóm tăng thì thành phần C tăng và chỉ tiêu cơ tính cũng tăng). Thép

các bon loại CT0 thường dùng làm các chi tiết như ñinh tán, bulong thường.
Trong xây dựng cầu và BTCT dùng CT3, CT5. Loại CT3 - CT6 có thể dùng
trong cơ khí làm chi tiết máy.
Loại C là thép các bon thường ñược qui ñịnh cả về cơ tính lẫn thành
phần. Loại thép này trong ký hiệu Việt nam là CCT còn Nga thêm chữ B. Loại
thép này có cơ tính như thép loại A và có thành phần hoá học như thép loại B
cùng loại.
Thép loại C thường dùng trong cac kết cấu hàn và cốt thép cho bê tông
cốt thép.
b). Thép các bon chất lượng tốt.
Thép loại này chứa ít tạp chất có hại hơn thép loại thường (S < 0,04%; P
< 0,035%) và ñược quy ñịnh cả về cơ tính và thành phần hóa học. Ký hiệu có
ghi số phần vạn các bon trong thép (Nga kí hiệu từ 08 - 85; Việt nam : C8 -
C85). Thép loại này chỉ dùng ñể chế tạo chi tiết máy.
Theo AASHTO, thép các bon làm kết cấu cầu quy ñịnh (272-05) theo
cường ñộ chảy như sau:
Mô ñun ñàn hồi 200.000 MPa
Hệ số dãn nở nhiệt: 11.7 x10
-6
mm/mm/
0
C

172
Thép các loại AASHTO M270M, cấp 250 (ASTM A709M) cấp 250,
cường ñộ chịu kéo nhỏ nhất 400MPa, cường ñộ chảy nhỏ nhất 250MPa. Chiều
dày tối thiểu của các bản thép 100mm. Tiêu chuẩn kỹ thuật ñối với các bu lông
và ñinh tán thép các bon có cường ñộ chịu kéo tối thiểu là 420MPa

5.2. Thép hợp kim

Thành phần hóa học
Thép hợp kim là loại thép ngoài thành phần Fe, C, tạp chất do chế tạo
còn có các nguyên tố ñặc biệt ñược ñưa vào với một lượng nhất ñịnh, ñể thay
ñổi cấu trúc và tính chất của thép. ðó là các nguyên tố hợp kim : Cr, Ni, Mn, Si,
W, V, Mo, Ti, Cu, B.
Giới hạn về thành phần của các nguyên tố hợp kim như sau:
Mn - 0,8 - 1,0% Si - 0,5 - 0,8% Cr - 0,2 - 0,8%
Ni - 0,2 - 0,6% W - 0,1 - 0,5% Mo - 0,05 - 0,2%
Ti - ≥ 0,1% ; Cu ≥ 0,1% ; B ≥ 0,02%.

Các bon là thành phần hợp kim chính quyết ñịnh ñộ bền và cấu trúc của
thép. Man gan làm tăng ñộ bền và ñộ cứng hàm lượng thường 0.8-1.6% cho các
loại thép hợp kim làm cầu và các công trình khác; Silic ñược sử dụng ñể khử
õyt cho thép trong sản xuất; Crôm làm tăng ñộ bền, tính chống ăn mòn, tăng ñộ
cứng trong vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt ñộ; Nickel làm tăng ñộ bền và cải
thiện thuộc tính va chạm ở nhiệt ñộ thấp; Molyp ñen cải thiện ñộ bền rão
thường sử dụng kết hợp với Crôm; ðồng làm tăng khả năng chống ăn mòn của
thép hợp kim; Sulphur và phốt pho là các tạp chất có hại.
Thép hợp kim có cơ tính cao hơn thép các bon, chịu ñược nhiệt ñộ cao
hơn và có những tính chất vật lý và hóa học ñặc biệt như chống tác dụng ăn
mòn của môi trường cao,
Cách kí hiệu thép hợp kim
Theo tiêu chuẩn Việt nam TCVN - 1659 - 75, thép hợp kim ñược kí hiệu
bằng hệ thống kí hiệu hóa học và số (tỷ lệ % các nguyên tố trong hợp kim). Thí
dụ thép 9Mn2 có 0,09%C, 2%Mn.
Theo tiêu chuẩn Nga, thép hợp kim ñược ký hiệu theo hệ thống chữ cái
tiếng Nga và tỷ lệ phần trăm của chúng trong hợp kim. Ví dụ : Crôm - X ;
Niken - H ; Vonfram - B ; Silic - C ; Nitơ - A ; Côban - K ; Mangan - Mn v.v
Các con số chỉ phần vạn cho các bon và phần trăm cho các nguyên tố khác (≥
1%). Ví dụ : thép hợp kim 12G2 có 0,12%C, 2% Mn. Loại thép chất lượng cao

phía cuối kí hiệu có chữ A.

173
Theo tiêu chuẩn Pháp - kí hiệu thép ñược ghi bằng kí hiệu hóa học (Fe,
Si, Mn, ) cuối kí hiệu là cường ñộ của thép. Ví dụ: kí hiệu của cốt thép là :
FeE22, FeE40, FeE50 , v.v ñược ghi trong tiêu chuẩn NFA 35 - 016 - NFA 35
- 022.
Tiêu chuẩn Trung Quốc kí hiệu thép giống của Liên Xô cũ chỉ thay các
chữ bằng kí hiệu hóa học.
Tiêu chuẩn của Mỹ thì kí hiệu thép hợp kim theo SAE - Hội kỹ sư ôtô Mỹ
- dùng hệ thống chữ số ñể ký hiệu. Hai ñầu ghi loại thép(ví dụ: 2 - Niken; 3 -
Crôm -niken ; 5 - thép crôm 13 - thép măngan; 10 - thép cac bon, ) các số
sau chỉ phần vạn các bon trung bình.
Vi dụ: SAE 2320 là: thép niken(2) 3% Ni(3) và 0,20%C(20).
Thép hợp kim của Nhật ký hiệu theo JIS. Các loại thép ñều bắt ñầu từ
chữ cái biểu thị loại thép (S - thép cán, M - thép hàn, B - thép nồi hơi). ðối với
thép cácbon kết cấu kí hiệu : S - chữ số chỉ phần vạn các bon, ví dụ : S100C là
thép các bon có 0,1%C. ðối với thép hợp kim kí hiệu như sau : S tiếp ñến chữ
cái tíeng Anh chỉ tên nguyên tố kim loại, rồi ñến số thứ tự, ví dụ : SNC3 - thép
hợp kim niken - crôm số 3.
Thép hợp kim thấp dùng trong xây dựng
Thép hợp kim thấp thường dùng ñể chế tạo các kết thép (dàn cầu, tháp
khoan dầu mỏ, ñường ống dẫn khí, v.v ) cốt thép cho các kết cấu bê tông cốt
thép.
Ngày nay kết cấu thép thường là kết cấu hàn. Vì vậy ñể sử dung phù hợp
với công nghệ cần dùng các loại thép hàn hợp kim các bon thấp (lượng C
≤
0,22 ñến 0,25%), có cường ñộ cao và dùng các phụ gia hợp kim rẻ tiền - silic và
mangan.
Thép hợp kim thấp có kí hiệu 17

ΓC; 16ΓAΦ. Chúng chứa 0,01%N và
0,1C, có ñộ dẻo cao (
δ = 23 - 25%), ñộ bền va ñập và cường ñộ cao; giới hạn
cường ñộ khi kéo là 550 - 600 MPa và giới hạn chảy là 350 - 450 MPa.
Theo AASHTO, thép hợp kim thấp có 3 loại: Thép hợp kim thấp cường
ñộ cao, cấp 345 và cấp 345W có cường ñộ chịu kéo nhỏ nhất từ 450-485MPa;
cường ñộ chảy nhỏ nhất 345MPa.
Thép hợp kim thấp tôi và ram cấp 485W có cường ñộ kéo nhỏ nhất
620MPa, cường ñộ chảy nhỏ nhất 485MPa.
Thép hợp kim cường ñộ cao cấp 690-690W có cường ñộ chịu kéo nhỏ
nhất 690-760MPa, cường ñộ chảy nhỏ nhất 620-690MPa.
Các bu lông cường ñộ cao ñể liên kết kết cấu thép có cường ñộ chịu kéo
tối thiểu 830-725MPa, với ñường kính từ 16-36mm

174
6. CỐT THÉP CHO KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP VÀ BÊ TÔNG CỐT THÉP DỰ
ỨNG LỰC.
Theo tiêu chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn Nga - cốt thép cho bê tông cốt
thép và bê tông cốt thép dự ứng lực thường dùng thép các bon và thép hợp kim
ñược ghi ở bảng 7.3. Theo tiêu chuẩn ASTM tính năng cốt thép ñược ghi ở
bảng 7.3a.
Bảng 7.3. Tiêu chuẩn thép của Việt Nam và Nga
Loại
cốt thép
d, mm Mác của thép Loại thép
AI 6-40 CT3 Thép các bon thường nhóm A, B
AII 10-40
BMCT 5 ΠC
BKCT 5ΠC
Thép các bon thường nhóm B

40-90
18Γ 2C
Thép các bon thấp
AII 6-40
20Γ 2C, 35ΓC
Thép hợp kim các bon, silic, mangan
AIV 10-32
20XΓ 2
Χ

Thép hợp kim các bon, mangan, thiếc

10-18
20XΓCT
Thép hợp kim các bon crôm, silic, mangan,
titan
AV 10-18
23X 2Γ2
Thép crôm, mangan, thiếc
ATK 6-9
65Γ, 60C2
Thép hợp kim thấp, silic, mangan






Bảng 7.3a. Các yêu cầu tối thiểu về cường ñộ cốt thép theo ASTM
Sản phẩm

Tiêu chuẩn kỹ
thuật của ASTM
Tên gọi
Cường ñộ uốn
cực tiểu, (MPa)
Cường ñộ kéo
cực tiểu, (MPa)
A616 Cấp ñộ 50
Cấp ñộ 60
345
415
550
620
A617 Cấp ñộ 40
Cấp ñộ 60
275
415
480
620
Cốt thép thanh
A706 Cấp ñộ 60 414 550
Thép thanh ñược
tráng kẽm
A767 Tương tự như cốt thép thanh
Thép thanh ñược
tráng Epoxy
A775 Tương tự như cốt thép thanh
Dây dự ứng lực A416 Cấp ñộ 250 1465 1725
Bện 7 dây Cấp ñộ 250 1555 1725

175
Cấp ñộ 270 1580 1860 Dây
Cấp ñộ 270 1675 1860
A421 1375 1620 Thép cây
A722 kiểu 1 880 1035

6.1. Các ñặc tính của cốt thép
6.1.1. Sự dính bám:
Một trong những nhiệm vụ chính của cốt thép trong bê tông là dính bám
tốt với lớp bao phủ. ðặc biệt cốt thép phải có hình dạng ñặc biệt. Chính vì vậy,
chúng có gân làm tăng sự neo móc, chúng cũng có thể ñược liên kết tạo thành
lưới mà ít nhất có một thanh làm việc như "cái chặn".
Một tính chất khác liên quan tới sự dính kết là mặt cốt thép có phản ứng
hóa học với xi măng, không ñược tạo ra các hợp chất có hại cho sự dính kết
này. Ví dụ như một chất béo ở trên mặt thép có thể tạo thành chất xà phòng
trong bê tông và làm giảm sự dính kết của kim loại.
Trong trường hợp bê tông ứng suất trước, phải thêm một thực tế là thép
bị kéo trước khi tiếp xúc với bê tông, sau ñó ñược thả ra. Việc thả ñó có xu
hướng tăng ñường kính cốt thép (hiệu ứng Poisson) và như vậy sự dính kết giữa
thép và bê tông ñược cải thiện. Sự dính kết của cốt thép ứng suất trước ñược
bảo ñảm hoặc do những vết , hoặc do sự gồ gề ñược tạo nên trực tiếp bằng việc
cán hoặc bởi sự tuốt ñối với các sản phẩm bị kéo dãn.

6.1.2. Tính biến dạng của cốt thép:
Trong thời gian ñặt cốt thép của bê tông cốt thép luôn luôn bị biến dạng,
thắt lại. Như vậy chúng phải có tính biến dạng tốt, như có ñộ dãn dài lớn dưới
tải trọng cực ñại trong thời gian thử kéo, bền sau một số lần gấp trong phép thử
quy ước.
Ngược lại, cốt thép của bê tông ứng suất trước ñược kéo gần như thẳng.
Như vậy, không cần có thính biến dạng lớn. Tuy nhiên một vài dây cáp ứng suất

trước bị lệch và riêng cường ñộ kéo (thuần tuý) không ñủ ñể ñánh giá khả năng
sử dụng các sản phẩm này.
6.1.3. Tính bền lâu:
ðộ bền lâu của các công trình bằng bê tông cốt thép hoặc bê tông cốt
thép ứng suất trước phụ thuộc rất trực tiếp vào ñộ bền của cốt thép. ðộ lâu bền
này có thể phụ thuộc ñơn ñộc vào kích ñộng cơ học, nhưng nó cũng có thể gắn
với môi trường xung quanh.

176
Các tính chất cơ học của thép ảnh hưởng ñến ñộ bền của công trình trước
hết là sự chùng và cường ñộ mỏi của chúng. Sự chùng liên quan với cốt thép
ứng suất trước là sự giảm theo thời gian của ứng suất trong cốt thép bị kéo dưới
chiều dài không ñổi. Như vậy, nó tạo ra một sự giảm tăng dần của lực ứng suất
trước trong công trình.
Một kích ñộng gọi là sự mỏi, khi nó biến ñộng theo thời gian, có thể gây
nên một sự xuống cấp tăng dần, sau ñó làm ñứt cốt thép.
Cường ñộ chịu lửa là một yếu tố của tính lâu bền của cốt thép, tất cả các
tính chất xâm thực nhiều hoặc ít của môi trường tiếp xúc với các vật liệu này
cũng thể hiện tính lâu bền của cốt thép.


6.2. Dạng cốt thép cho bê tông cốt thép
(Hình 7.8.)
Sợi tròn nhẵn:
Các sợi tròn nhẵn ñược sử dụng làm cốt thép cho bê tông cốt thép ñược
sản xuất từ một máy kéo sợi hoặc ñơn giản từ một máy kéo sợi. Các sợi này ñạt
ñược bằng cán nóng. Trước khi kéo sợi chúng ñược xử lý ngay ñể cấu trúc của
chúng phù hợp với việc tạo hình, việc xử lý có thể là :
- Xử lý nhiệt gọi là tôi (nhúng vào bể nước muối ở nhiệt ñộ khoảng
500

o
C),
- Xử lý nhiệt cơ học. Trong trường hợp này, các sợi ñược làm nguội và
giữ ở các nhiệt ñộ khoảng 500
o
C trong khi nó bị kéo sợi.
Việc kéo sợi bao gồm cho sợi thép ñi qua khuôn kéo có ñộ cứng lớn cho
phép làm giảm ñường kính của thép. Như vậy vấn ñề là ñánh gỉ tốt sợi thép và
sau ñó kéo nó qua khuôn. Các ñiều kiện tuốt (lực kéo qua khuôn, tốc ñộ kéo
qua, bôi trơn v.v ) ảnh hưởng ñến phẩm chất cuối cùng.
Sợi và thanh có ñộ dính cao:
Các sợi và thanh có gân, như vậy có lực dính bám cao, ñạt ñược từ các
sản phẩm cán nóng, bằng cách dùng các xylanh của máy cán với các gờ và rãnh.
ðôi khi tạo ra các gân phụ bằng cách phay nguội.
Lưới hàn :
Lưới hàn ñược tạo thành bởi các sợi tròn, chúng ñược hàn lại nhờ một
phương pháp gọi là "hàn ñiểm ". Trong phương pháp này, một dòng ñiện ñược
phát ra từ một máy phát nối vào hai ñiện cực ñặt trên mỗi sơi ñặt trong hai sợi
ñể hàn, làm
chảy cục bộ vùng tiếp xúc giữa các sợi. Sau khi nguội vùng này trở
nên chung cho hai sợi. Chất lượng của mối liên kết hàn phụ thuộc vào các ñiều
kiện nhiệt (tốc ñộ làm nguội sau khi làm chảy) và cơ học (lực tỳ giữa các sợi)
của việc hàn.

177

Hình 7-8: Các dạng cốt thép
6.3. Cốt thép ứng suất trước (cốt thép chất lượng cao)
Thanh ứng suất trước:
Các thanh là các sản phẩm có tiết diện không ñổi, chúng không thể ñược

giao thành cuộn. Ví dụ như các thanh thép ứng suất trước tròn và nhẵn, có
ñường kính giữa 20 và 36mm, chiều dài 18m (giới hạn bắt buộc do ñiều kiện
vận chuyển) các thanh ñược cán nóng và ñược xử lý phụ bao gồm bởi :
- Hoặc là kéo, tiếp theo là ram và tiếp theo có thể là tuốt.
- Hoặc là kéo, ram ,sau ñó tuốt.
- Hoặc là tuốt kéo, tôi và ram.
Sợi ứng suất trước :
Các sợi thép ứng suất trước luôn luôn là thép tròn nhẵn ñạt ñược bằng
phương pháp tuốt các sợi máy như cốt thép của bê tông cốt thép. Các sợi máy
dùng cho cốt thép ứng suất trước có 4 loại ñược xác ñịnh bởi hàm lượng các
bon như là FMP 62 ñối với C = 0,60 - 0,65% hoặc FMP 80 ñối với C = 0,78 -
0,83% . ðối với mỗi sợi máy hàm lượng mangan nằm trong khoảng 0,60 -
0,90%, hàm lượng silic 0,10 - 0,35% và tổng hàm lượng kền - crôm - molipñen
dưới 0,40%.
ðể cải thiện sự trùng ứng suất, sợi thép sau ñó ñược "ổn ñịnh hoá" bằng
một biiến dạng dẻo nhỏ ñược tác dụng ñồng thời giữ ở nhiệt ñộ không ñổi (dưới
200
o
C) và nguội nhanh.
Các sợi không ñược nhẵn, dạt ñược bằng cách cán nóng hoặc cán nóng
rồi sau ñó cán nguội. Một vài sợi có vết ép.

178
Bó sợi ứng suất trước:
Một bó sợi là tập hợp các sợi ñược
bện với nhau thành ñường xoắn ốc và
phân bố trên một lớp có khả năng thực hiện ñược xung quanh một sợi ở trung
tâm. Như vậy, một bó sợi 3 dây không có sợi trung tâm, trong khi ñó các bó sợi
khác có 7 dây trong ñó có 6 dây bao quanh.
Việc bó sợi tạo ra các ứng suất dư kéo ở ngoài mặt và nén ở bên trong.

Các ứng suất dư ñó có thể ñược cải biến, nếu bó sợi hoàn chỉnh - ñặc chặt,
nghĩa là ñược tuốt lại.


6.4. Các tính chất cơ học của cốt thép khi gia công
6.4.1. Các tính chất của thép sau khi cán nóng:

Các tính chất cơ học của thép cán nóng (khoảng 1000
o
C) và làm nguội
chậm tuỳ thuộc vào hàm lượng cácbon.
Nhưng cốt thép trong bê tông không ñược cán nóng một cách ñơn giản.
Sau khi tạo hình hoặc tôi (làm nguội nhanh từ nhiệt ñộ 950
o
C) hoặc ñược làm
biến dạng nguội (tuốt hoặc cán), hoặc ñược làm biến dạng ở nhiệt ñộ khoảng
500
o
C, tiếp theo là làm nguội khá nhanh.
Việc tôi cho thép thay ñổi bản chất của các thành phần của thép. Thật
vậy, nó ñược hình thành sau khi là nguội nhanh (với tốc ñộ 200
o
C/ giây), một
thành phần cứng hoặc ở dạng hình kim nhỏ (mactenxit), hoặc ở dạng hình cầu
(bainit) . Các thành phần mới này có cường ñộ lớn (ñộ cứng), nhưng tính biến
dạng rất nhỏ. Như vậy chúng phải ñược xử lý ñể thép ñược tôi có thể ñược
dùng làm cốt thép. Việc xử lý cuối cùng là ram(nung ở nhiệt ñộ khoảng 400
o
C).
Như vậy, sự cứng hóa (tăng giới hạn ñàn hồi và cường ñộ kéo) của thép

cán và tôi ñạt ñược bằng cách thay ñổi bản chất (tính chất) của các thành phần
của các sản phẩm này.
Các biện pháp làm cứng bằng cách tôi và tự ram bao gồm việc tách sợi
cốt thép ñược nung tới 900
o
C, dưới một tia nước ñược làm nguội rất nhanh (tôi)
ngoài mặt. Khi ra khỏi nhiệt bị tôi, bên trong của thép vẫn còn nóng ở 600
o
C
(như vậy bởi việc ram) làm nõng mặt xung quanh ñã ñược tôi. Loại cốt thép ñó
như vậy có cấu trúc không ñồng nhất, nó phối hợp không ñộ cứng (ñạt ñược
nhờ mặt xung quanh) với tính biến dạng ở (ở bên trong).
Sự làm nóng mặt xung quanh sau khi tôi là do nhiệt ñộ ñược tích lũy lại
và không phải ñược phục hồi lại hoàn toàn bởi tâm của nó trong khi tôi.

6.4.2. Các tính chất của thép tuốt.: