1. Đặt vấn đề
Trong công nghệ bê tông dự ứng lực, các dầm, sàn có khẩu độ lớn được tăng cường khả năng chịu lực bằng cách tạo một lượng ứng suất dư ngược chiều với tải trọng mà dầm sẽ phải chịu đựng trong quá trình làm việc. ứng suất dư được tạo ra bằng cách kéo căng các sợi cáp đặt trong dầm bê tông. Lượng ứng suất dư đó làm khả năng chịu tải, tuổi thọ của dầm, sàn tăng lên rất mạnh.
Nhờ có phương pháp dự ứng lực mà mơ ước về những công trình độc đáo, tráng lệ đã trở thành hiện thực. Hơn thế nữa, sử dụng phương pháp này còn tiết kiệm được một lượng lớn nguyên vật liệu.
Nêm neo là chi tiết hết sức quan trọng trong cơ cấu dự ứng lực, nó tiếp xúc, truyền lực cho cáp khi căng kéo. Nêm neo còn làm nhiệm vụ duy trì ứng suất dư cho dầm bê tông trong suốt quá trình làm việc của dầm. Chính nêm neo góp phần tạo nên độ an toàn và tuổi thọ cho công trình.
Điều kiện làm việc của nêm neo rất khắc nghiệt: Bị cáp khi kéo qua xiết mạnh, đòi hỏi có tính chống mài mòn cao, vì nếu bị mòn, không tiếp xúc với cáp, neo sẽ để tuột cáp, không hoàn thành được dự ứng lực. Nêm neo khi giữ cáp đồng thời phải chịu lực nén lớn, nếu vật liệu không đủ độ bền và độ dai, rất dễ bị vỡ, gây nguy hiểm cho người thao tác và cho công trình.
Nêm neo được sử dụng trong tất cả các công trình giao thông, thuỷ điện, thuỷ lợi và trong bất cứ công trình xây dựng công cộng nào. Vì vậy, với một đất nước đang phát triển như nước ta, nhu cầu nêm neo là rất lớn, là một thị trường khổng lồ.
Tiêu chuẩn của nhiều nước (kể cả tiêu chuẩn Việt Nam) quy định nêm neo phải có khả năng chịu tải đạt 92% lực đứt cáp; tiêu chuẩn ASTM A 416-90A đạt 95% lực đứt cáp [1]. Khi kéo, giữ cáp trong 15 phút sau đó kiểm tra các tiêu chuẩn kỹ thuật về độ tụt neo (thể hiện khả năng giữ cáp của nêm neo). Độ dịch chuyển (độ tụt neo) cho phép là 6 mm[1].
Nêm neo được sản xuất và sử dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới. Chất lượng nêm neo của các nước tiên tiến như Mỹ, úc rất tốt. Tuy nhiên, công nghệ sản xuất hoàn toàn không được phổ biến. Không thể tìm kiếm các quy trình đó trên bất cứ phương tiện nào. Toàn bộ nêm neo sử dụng ở nước ta đều được nhập khẩu từ các nước: Thụy Sỹ, Mỹ, Đức, úc, Hàn Quốc, Trung Quốc và nhiều nước khác. Việc đó làm cho tiến độ các công trình rất phụ thuộc. Chất lượng nêm neo của một số nước không ổn định. Hơn nữa, giá thành lại rất cao. Có thể lấy một vài ví dụ: Nêm neo công tác của Trung Quốc (nước có nêm neo chất lượng kém nhất và giá cạnh tranh nhất) là 4,2 USD, nêm neo công cụ một bát neo 13-12 là 414 USD; nêm neo do Mỹ hoặc Đức chế tạo còn đắt hơn nhiều.
Trong thời gian qua, nhiều đơn vị trong nước đã áp dụng nhiều giải pháp khác nhau để chế tạo nêm neo. Tuy nhiên, tính đến nay chưa có loại nêm neo nội địa nào đáp ứng được yêu cầu.
Theo chúng tôi, với những tiến bộ của ngành cơ khí hiện nay, việc đảm bảo đáp ứng các yêu cầu về hình dạng, kích thước của nêm neo không phải là không thực hiện được. Điều mà các nhà sản xuất nêm neo trong nước chưa đề cập đúng mức chính là vật liệu và xử lý vật liệu nêm neo. Trong bài báo “Phân tích vật liệu nêm neo nhập ngoại” đăng trên Tạp chí Hoạt động Khoa học số tháng 8.2009, chúng tôi đã trình bày các nghiên cứu, phân tích nêm neo nhập ngoại trên quan điểm vật liệu, với mục đích giải mã công nghệ vật liệu của các nước sản xuất nêm neo tiên tiến. Kết luận của các nghiên cứu đó là: Nêm neo nhập ngoại đã được chế tạo bằng thép hợp kim có hàm lượng cacbon thấp, sau khi nhiệt luyện có độ cứng trong khoảng 38-40 HRC, đảm bảo độ dai, tạo khả năng chịu nén, sau đó được xử lý bằng hoá nhiệt luyện để làm nên bề mặt có độ cứng cao khoảng 62-63 HRC. Và chúng tôi đã nghiên cứu xử lý nhiệt theo hướng đó.
2. Quá trình nghiên cứu
Nêm neo được gia công cơ khí theo tiêu chuẩn 22 TCN 267-2000 do Bộ Giao thông Vận tải ban hành. Để đáp ứng tốt nhất điều kiện kỹ thuật của nêm neo, trong nghiên cứu của chúng tôi, phương pháp xử lý nhiệt được lựa chọn là thấm cacbon - nitơ.
Nêm neo sau khi gia công cơ khí được đưa vào trong môi trường là hỗn hợp các loại khí có khả năng phân huỷ sinh ra cacbon và nitơ ở dạng nguyên tử. Nồng độ cacbon và nitơ trong môi trường cao hơn nhiều so với trong thép. Hỗn hợp chúng tôi nghiên cứu bao gồm khí ga công nghiệp là nguồn tạo ra cacbon nguyên tử; NH3 là nguồn tạo ra nitơ nguyên tử. Quá trình thấm được thực hiện trong khoảng nhiệt độ từ 810 đến 860oC, thời gian thấm khoảng 3 giờ. Tại nhiệt độ đó, thép có tổ chức austenit. Cacbon và nitơ nguyên tử mới được sinh ra do các phản ứng của các loại khí có mặt trong môi trường thấm khuếch tán vào austenit trên bề mặt, tạo nên một lớp có hàm lượng hai nguyên tố này lớn hơn hẳn trong nền. Cacbon và nitơ kết hợp với các nguyên tố hợp kim như crôm, mangan, thành các hợp chất cacbit, nitơrit có độ cứng cao, làm tăng độ cứng và tính chống mài mòn cho răng nêm neo, đảm bảo khi tiếp xúc với cáp răng không bị mòn, không để cáp bị tuột.
Vì các nguyên tử cacbon và nitơ phải len lỏi, lách qua cấu trúc ô mạng của sắt, việc khuếch tán sâu vào nền thép là rất khó khăn nên chỉ có một lớp mỏng trên bề mặt có độ cứng cao, còn nền vẫn giữ được độ dai.
So với nhiều phương pháp hoá nhiệt luyện khác, phương pháp thấm cacbon - nitơ có những đặc điểm phù hợp với nêm neo: Nhiệt độ thấm dao động trong khoảng 810-860oC, thấp tương đối so với các phương pháp thấm khác (thấm cacbon trong khoảng 900-950oC), nên giảm thiểu độ biến dạng của răng nêm neo vốn rất mảnh. Cũng do nhiệt độ thấm thấp, cấu trúc vật liệu nhận được nhỏ mịn, cho độ bền và độ dai cao. Hơn thế nữa, do nitơ khi khuếch tán vào bề mặt thép, hạ điểm chuyển biến pha từ austenit (trạng thái của thép ở nhiệt độ thấm) sang mactenxit khi làm nguội, khiến khi làm nguội đến nhiệt độ thường, austenit không chuyển biến hết [2], còn dư trong lớp thấm tạo điều kiện giúp giải toả ứng suất, có độ dai, làm cho răng neo vừa cứng, vừa dai, có độ lỳ, không bị gãy khi kéo. Ngoài ra, so với thấm cacbon, lớp thấm cacbon - nitơ mỏng hơn [3], phù hợp với phần răng mảnh của nêm neo.
Trên cơ sở phân tích vật liệu nêm neo nhập ngoại, vật liệu được chọn để chế tạo nêm neo là thép SCM 420 (có thành phần như trong bảng 1) với hàm lượng cacbon thấp để nền thép có độ dai cao.
Các nguyên tố crôm, mangan là những nguyên tố tạo cacbit và nitơrit, làm tăng độ cứng. Riêng môlipden là nguyên tố khuếch tán chậm nên chủ yếu nằm lại trong austenit, làm tăng sự ổn định của pha này, tăng độ dai cho lớp thấm.
Sau khi thấm, thành phần lõi neo tại bề mặt và bên trong không đồng nhất: Trên bề mặt hàm lượng cácbon và nitơ cao, tương đương thép sau cùng tích, trong lõi không có nitơ, thành phần cacbon tương đương thép trước cùng tích.
Độ cứng tế vi trong lớp thấm được đo trên máy Duramin Struer của hãng Redorevre Denmark, tải trọng 100 g. Giá trị độ cứng khi đo là Vicker, sau đó máy tự chuyển đổi sang HRC. Tổ chức tế vi được quan sát dưới kính hiển vi Axiovert 25 và Axiovert 100 do hãng Carl Zeiss Goettingen sản xuất.
3. Kết quả và thảo luận
Kết quả được phân tích thành phần hoá học, tổ chức tế vi trên kính hiển vi quang học, phân, đo độ cứng tế vi.
Kết quả phân tích thành phần bề mặt
Phân tích thành phần hoá học bề mặt; hàm lượng cacbon dao động trong khoảng 0,8-1%, hàm lượng nitơ trong khoảng 0,3-0,5%.
Kết quả phân tích tổ chức tế vi
Tổ chức tế vi cho thấy, tổ chức lớp thấm nhận được rất mịn, tương đương với tổ chức tế vi nêm neo Đức (hình 1). Tổ chức tế vi bao gồm các pha sáng là các hợp chất, nền là mactenxit nhỏ mịn và một phần austenit dư.
Kết quả đo phân bố độ cứng tế vi
Mẫu neo được cắt, đánh bóng và đo độ cứng tế vi từ bề mặt vào nền, tải trọng 200 g, độ phóng đại 400 lần, khoảng cách giữa các mũi đâm là 50 mm.
Đồ thị biểu diễn đường phân bố độ cứng: Đường 1 là phân bố độ cứng tế vi của nêm neo do một công ty chế tạo trong nước chế tạo: Độ cứng bề mặt thấp, độ cứng trong lõi cao. Nêm neo vừa không đảm bảo độ cứng để chống mài mòn, vừa dễ vỡ khi kéo do không đảm bảo độ dai (độ cứng nền cao), đường phân bố độ cứng lại khúc khuỷu, dễ gây tập trung ứng suất, nêm neo dễ vỡ.
Đường 2 là đường phân bố độ cứng nêm neo do đề tài chế tạo, tương đương với đường 3 là đường phân bố độ cứng nêm neo do Mỹ chế tạo, có độ cứng bề mặt cao, độ cứng nền thấp và các trị số độ cứng giảm một cách điều hoà từ ngoài vào trong, giảm nguy cơ tập trung ứng suất có thể dẫn đến gãy răng hay vỡ nêm neo.
Kết quả thử căng kéo
Nêm neo sau khi chế tạo, thử căng kéo tại phòng thí nghiệm trọng điểm tại Viện Khoa học và Công nghệ Giao thông vận tải, Bộ Giao thông Vận tải. Kết quả thử đơn đối với neo công tác cáp 12,7 mm: Khả năng chịu lực là 18,9 tấn, đạt hiệu suất 96% (TCVN là 17,12 tấn, 92%), độ tụt cáp là 3,66 mm (TCVN là 6 mm). Đây là những nêm neo đầu tiên do Việt Nam chế tạo đạt tiêu chuẩn và được cấp chứng chỉ.
Kết quả ứng dụng thực tế
Nêm neo được áp dụng kéo cáp cho các dầm số 63, 64, 65 cầu Kiến Hưng (Xa La, Hà Nội) và kéo cho một số dầm bê tông đúc sẵn tại Công ty Bê tông Xuân Mai. Đó là những bộ nêm neo đầu tiên do Việt Nam sản xuất hoàn toàn đáp ứng yêu cầu làm việc. Tất cả đều làm việc tốt, không có phế phẩm.
Nguyên vật liệu sản xuất nêm neo rất sẵn trên thị trường, các nguyên vật liệu xử lý nhiệt hoàn toàn nội địa và thông dụng.
Nêm neo tự sản xuất trong nước giá thành hạ hơn rất nhiều so với nêm neo nhập ngoại: Một bộ nêm neo công tác có thể có giá từ 30 đến 35 ngàn đồng (Trung Quốc là 4,2 USD); một bộ nêm neo công cụ 13-12 có thể có giá từ 2,8 triệu đến 3,5 triệu đồng (nước ngoài là 414 USD) sau khi cộng giá thành và các chi phí thương mại. So với lõi neo nhập ngoại rõ ràng là thấp hơn rất nhiều.
Việc nghiên cứu thành công nêm neo và bước đầu có ứng dụng đã mở ra khả năng sản xuất nêm neo trong nước thay thế nêm nhập ngoại, góp phần tự chủ trong xây dựng. Hơn thế nữa, xây dựng các cơ sở sản xuất nêm neo sẽ tạo công ăn việc làm, tạo thu nhập cho nhiều người.
4. Kết luận
Sau một thời gian nghiên cứu thử nghiệm, sử dụng xử lý nhiệt bằng phương pháp thấm cacbon - nitơ, đề tài đã chế tạo thành công nêm neo phục vụ việc chế tạo bê tông dự ứng lực và kết quả đã được ứng dụng tại công trình. Nếu được đầu tư xây dựng một cơ sở chế tạo nêm neo thì vừa đáp ứng được yêu cầu của xây dựng, vừa tiết kiệm được một lượng ngoại tệ không nhỏ cho đất nước.
_________________
Tài liệu tham khảo
1. Bộ Giao thông Vận tải: Tiêu chuẩn nêm neo Việt Nam T13; T15; D13. D15 dùng trong kết cấu bê tông dự ứng lực 22 TCVN 267-2000.
2. Earl A. Carlson, Lindberg: Cold treating and cryogenic treatment of steel, ASM Handbook, 1991, Vol. 4, p. 857-889.
3. V.M. Zintchenko: ‘’Surface engineering of gared wheel by the thermochemical treatment, Moscow, 2001.
Theo Tạp chí hoạt động khoa học tháng 9-2009.