GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU XÂY DỰNG, HÀ NỘI 2013

đo kích thước mẫu vật liệu dùng thước kẹp với độ chính xác đến 0,1mm và tính thể tích của mẫu vật liệu; + Với vật liệu được xem là hoàn toàn đặc có hình dạng bất kỳ: phương pháp chiếm ch

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TH.SĨ TẠ THẾ ANH

VËt liÖu x©y dùng

HÀ NỘI, NĂM 2013

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU 3

DANH MỤC HÌNH VẼ 7

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT 10

MỞ ĐẦU 11

Chương 1: CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU XÂY DỰNG 17

1.1 TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA VẬT LIỆU 17

1.2 TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU 31

Chương 2: CỐT LIỆU 45

2.1 KHÁI NIỆM CHUNG 45

2.2 TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA CỐT LIỆU 46

Chương 3: XI MĂNG POOCLĂNG 61

3.1 KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI 61

3.2 XI MĂNG POOCLĂNG THÔNG DỤNG (XI MĂNG PC) 63

3.3 MỘT SỐ LOẠI XI MĂNG KHÁC 86

Chương 4: BÊ TÔNG XI MĂNG 107

4.1 KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI 107

4.2 TÍNH CHẤT CHỦ YẾU CỦA HỖN HỢP BÊ TÔNG VÀ BÊ TÔNG 108

4.3 VẬT LIỆU CHẾ TẠO BÊ TÔNG 130

4.4 TÍNH TỶ LỆ PHỐI HỢP BÊ TÔNG XI MĂNG 140

4.5 THI CÔNG BÊ TÔNG 154

4.6 BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO 156

4.7 MỘT SỐ LOẠI BÊ TÔNG KHÁC 162

Chương 5: VỮA XÂY DỰNG và CÁC CHẤT GIA CỐ VÔ CƠ 173

5.1 VỮA XÂY DỰNG 173

5.2 CÁC CHẤT GIA CỐ VÔ CƠ 182

Chương 6: CHẤT KẾT DÍNH HỮU CƠ 187

6.1 KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI 187

6.2 BITUM DẦU MỎ 188

6.3 NHŨ TƯƠNG TRONG XÂY DỰNG 201

Chương 7: BÊ TÔNG NHỰA 207

7.1 KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI 207

7.2 CÁC TÍNH CHẤT CỦA BÊ TÔNG NHỰA 210

7.3 VẬT LIỆU & QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT 219

7.4 THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG NHỰA 222

7.5 MỘT SỐ LOẠI BÊ TÔNG NHỰA KHÁC 230

Chương 8: VẬT LIỆU KIM LOẠI 237

8.1 KHÁI NIỆM CHUNG 237

8.2 TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA KIM LOẠI 237

8.3 CÁC LOẠI THÉP TRONG XÂY DỰNG 240

8.4 SỰ ĂN MÒN KIM LOẠI BẢO VỆ VÀ SỬ DỤNG THÉP 250

PHẦN PHỤ LỤC 253

PHỤ LỤC 4.1: PHỤ GIA CHO BÊ TÔNG VÀ VỮA 253

PHỤ LỤC 4.2: ĐỊNH MỨC CẤP PHỐI BÊ TÔNG 269

PHỤ LỤC 5.1: ĐỊNH MỨC CẤP PHỐI VỮA 281

PHỤ LỤC 5.2: PHƯƠNG PHÁP TÍNH THÀNH PHẦN VỮA 284

PHỤ LỤC 8: QUY TRÌNH SẢN XUẤT THÉP 285

TÀI LIỆU THAM KHẢO 287

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Khối lượng riêng, khối lượng thể tích và độ rỗng của một số loại vật liệu 22

Bảng 1.2 Giá trị hệ số dẫn nhiệt của một số loại vật liệu thông thường 29

Bảng 1.3 Hình dạng kích thước một số mẫu thí nghiệm tiêu chuẩn 37

Bảng 1.4 Thang độ cứng Friedrich Mohs 38

Bảng 1.5 Xác định độ cứng theo phương pháp Rốc-oen 39

Bảng 1.6 Khối lượng cốt liệu lớn và quy cách bi thép dùng để thử độ hao mòn 41

Bảng 2.1 Thành phần hạt của cát dùng để chế tạo bê tông xi măng và vữa [TCVN 7570:2006] 47

Bảng 2.2 Thành phần hạt mịn dùng cho bê tông nhựa [AASHTO M29] 48

Bảng 2.3 Thành phần hạt của cát [ASTM C144] 48

Bảng 2.4 Khối lượng mẫu thử tuỳ thuộc vào kích thước lớn nhất của hạt cốt liệu 49

Bảng 2.5 Thành phần hạt của cốt liệu lớn chế tạo bê tông xi măng và vữa xây dựng [TCVN 7570:2006] 50

Bảng 2.6 Thành phần hạt của CPĐD lớp móng đường [TCVN 8859:2011] 50

Bảng 2.7 Thành phần hạt của CPTN làm đường [TCVN 8857:2011] 51

Bảng 2.8 Thành phần hạt của CPĐD gia cố xi măng [TCVN 8858:2011] 51

Bảng 2.9 Thành phần hạt của CPTN gia cố xi măng [TCVN 8858:2011] 51

Bảng 2.10 Thành phần hạt của cốt liệu lớn để chế tạo bê tông xi măng [ASTM C33] 51 Bảng 2.11 Thành phần hạt của cốt liệu lớn để chế tạo bê tông nhựa [ASTM D448] 52

Bảng 2.12 Số liệu tính toán thành phần hỗn hợp cốt liệu 54

Bảng 2.13 Kết quả tính toán kiểm tra thành phần hạt của hỗn hợp cốt liệu 55

Bảng 2.14 Quy định khi thí nghiệm độ nén dập [TCVN 7572-11:2006] 56

Bảng 2.15 Mác của đá dăm từ đá thiên nhiên theo độ nén dập [TCVN 7570:2006] 56

Bảng 2.16 Yêu cầu về độ nén dập đối với sỏi và sỏi dăm [TCVN 7570:2006] 57

Bảng 2.17 Yêu cầu về cường độ tối thiểu của cốt liệu lớn 57

Bảng 2.18 Yêu cầu về độ hao mòn Los Angeles đối với cốt liệu lớn 57

Bảng 2.19 Quy định về hàm lượng hạt thoi dẹt, mềm yếu, phong hóa đối với CLL 58

Bảng 2.20 Hàm lượng ion Cl trong cốt liệu nhỏ 59

Bảng 2.21 Hàm lượng bùn, bụi, sét trong cốt liệu 59

Bảng 3.1 Lượng nhiệt phát ra sau khi thuỷ hoá các thành phần khoáng vật của xi măng 74

Bảng 3.2 Chỉ tiêu xác định mác xi măng [TCVN 2682:2009] 75

Bảng 3.3 Thành phần hạt của cát tiêu chuẩn ISO [TCVN 6227:1996] 76

Bảng 3.4 Hệ số chuyển đổi K để xác định độ bền nén theo phương pháp nhanh 78

Bảng 3.5 Mức độ thủy hóa các khoáng vật trong xi măng theo thời gian 80

Bảng 3.6 Các yêu cầu kỹ thuật của một vài loại xi măng 85

Bảng 3.7 Cường độ thí nghiệm nén mẫu xi măng có X:C = 1:3 86

Bảng 3.8 Thành phần một số phụ gia khoáng ở Việt Nam [4] 88

Bảng 3.9 Thành phần hóa trung bình của xi măng alumin 93

Bảng 3.10 Thành phần và tính chất một số loại xỉ lò cao [4] 97

Bảng 3.11 Tỷ lệ tro bay, xỉ lò cao trong xi măng pooclăng xỉ lò cao [4] 97

Bảng 3.12 Thành phần xi măng xây trát [TCVN 9202:2012] 98

Bảng 3.13 Yêu cầu kỹ thuật của clanhke xi măng pooclăng mác cao 101

Bảng 4.1 Kích thước côn thử độ sụt [TCVN 3106:1993] 109

Bảng 4.2 Phân loại hỗn hợp bê tông 111

Bảng 4.3 Lựa chọn các chỉ tiêu tính công tác của hỗn hợp bê tông theo kết cấu 112

Bảng 4.4 Lựa chọn tính công tác của hỗn hợp bê tông theo phương pháp thi công 112

Bảng 4.5 Lượng nước dùng cho bê tông (l/m3 bê tông) 113

Bảng 4.6 Giá trị hệ số  đối với hỗn hợp bê tông dẻo 114

Bảng 4.7 Kích thước cạnh nhỏ nhất của viên mẫu 117

Bảng 4.8 Hệ số K tính đổi cường độ chịu nén 117

Bảng 4.9 Hệ số điều chỉnh cường độ chịu nén mẫu hình trụ 118

Bảng 4.10 Mác bê tông trên cơ sở cường độ chịu nén [TCVN 6025:1995] 119

Bảng 4.11 Tương quan giữa cấp (B) và mác bê tông (M) theo cường độ chịu nén 119

Bảng 4.12 Hệ số K tính đổi cường độ chịu kéo khi uốn 121

Bảng 4.13 Tương quan giữa cấp và mác bê tông theo cường độ chịu kéo 122

Bảng 4.14 Xác định hệ số A, A1 124

Bảng 4.15 Chọn mác xi măng theo mác bê tông 131

Bảng 4.16 Lượng xi măng tối thiểu 131

Bảng 4.17 Hàm lượng tối đa cho phép của muối hoà tan, ion sunfat, ion clo và cặn không tan trong nước trộn bê tông và vữa 132

Bảng 4.18 Phương pháp xác định các chỉ tiêu của nước trộn bê tông và vữa 132

Bảng 4.19 Hệ số chất lượng vật liệu A và A1 148

Bảng 4.20 Lựa chọn độ sụt của hỗn hợp bê tông 148

Bảng 4.21 Lượng nước ước tính sơ bộ cho 1m3 bê tông (lít) 149

Bảng 4.22 Lượng xi măng tối thiểu cho 1m3 bê tông (kg) 150

Bảng 4.23 Hệ số dư vữa α dùng cho hỗn hợp bê tông dẻo 151

Bảng 4.24 Quy định về độ sụt hợp lý cho bê tông thường (ACI) 152

Bảng 4.25 Khối lượng nước cho 1m3 bê tông (theo ACI) 153

Bảng 4.26 Xác định tỷ lệ N/X (ACI) 153

Bảng 4.27 Thể tích cốt liệu thô ở mỗi đơn vị thể tích bê tông (ACI) 153

Bảng 4.28 Ước tính khối lượng bê tông (ACI) 154

Bảng 4.29 Thời gian trộn bê tông (giây) 154

Bảng 4.30 Thành phần một vài loại bê tông cường độ cao [7] 159

Bảng 4.31 Thành phần hóa học của tro bay cho bê tông cường độ cao 161

Bảng 4.32 Tương quan giữa cường độ nén và cường độ kéo uốn (tham khảo) 163

Bảng 4.33 Mác chống thấm của bê tông thuỷ công phụ thuộc građien thủy lực 164

Bảng 4.34 Tương quan giữa cường độ nén và mác chống thấm (tham khảo) 164

Bảng 4.35 Các chỉ tiêu cường độ và mô đun đàn hồi của bê tông làm đường 165

Bảng 4.36 Độ sụt của hỗn hợp bê tông đường 166

Bảng 4.37 Yêu cầu cốt liệu lớn cho bê tông đường 166

Bảng 4.38 Các chỉ tiêu tính chất của bê tông nhẹ 168

Bảng 5.1 Yêu cầu đối với hỗn hợp vữa xây và hoàn thiện 178

Bảng 5.2 Yêu cầu về cường độ CPĐD hoặc CPTN gia cố xi măng 184

Bảng 5.3 Yêu cầu về cường độ cát gia cố xi măng 184

Bảng 6.1 Các chỉ tiêu chất lượng của bitum [TCVN 7493:2005] 194

Bảng 6.2 Phạm vi sử dụng của các loại bitum [TCVN 7493:2005] 194

Bảng 6.3 Tiêu chuẩn kỹ thuật vật liệu nhựa đường lỏng [TCVN 8818-1:2011] 197

Bảng 6.4 Tiêu chuẩn kỹ thuật vật liệu nhựa đường polime dùng cho đường bộ và sân bay [22TCN 319:2004] 200

Bảng 6.5 Tiêu chuẩn kỹ thuật vật liệu nhũ tương nhựa đường axit [TCVN 8817-1:2011] 204

Bảng 7.1 Khối lượng mẫu cốt liệu 210

Bảng 7.2 Hệ số điều chỉnh kết quả thí nghiệm độ ổn định Marshall 213

Bảng 7.3 Hệ số điều chỉnh kết quả thí nghiệm độ ổn định Marshall cải tiến 213

Bảng 7.4 Các chỉ tiêu độ dẻo của BTN 217

Bảng 7.5 Các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu đối với bê tông nhựa [TCVN 8819:2011] 218

Bảng 7.6 Các chỉ tiêu cơ lý quy định cho đá dăm trong BTN [TCVN 8819:2011] 219

Bảng 7.7 Các chỉ tiêu cơ lý quy định cho cát chế tạo BTN [TCVN 8819:2011] 220

Bảng 7.8 Các chỉ tiêu kỹ thuật của bột khoáng [TCVN 8819:2011] 221

Bảng 7.9 Số liệu tính toán 228

Bảng 7.10 Kết quả tính toán 228

Bảng 7.11 Kết quả tính toán điều chỉnh 229

Bảng 7.12 Kết quả tính toán điều chỉnh (lần thứ 2) 229

Bảng 7.13 Các hỗn hợp bê tông nhựa theo tiêu chuẩn Mỹ 230

Bảng 7.14 Thành phần hạt của hỗn hợp cốt liệu chế tạo BTNP [22TCN 356-06] 231

Bảng 7.15 Yêu cầu kỹ thuật của đá dăm chế tạo BTNP [22TCN 356-06] 232

Bảng 7.16 Thành phần hạt của bột khoáng chế tạo BTNNC [22TCN 345-06] 233

Bảng 7.17 Thành phần hạt của BTN rỗng có chức năng chủ yếu là thoát nước được đề nghị dùng ở vài nơi ở Mỹ 235

Bảng 8.1 Yêu cầu kỹ thuật của thép cacbon thường loại A [TCVN 1765-75] 242

Bảng 8.2 Yêu cầu kỹ thuật của thép cacbon thường loại B [TCVN 1765-75] 242

Bảng 8.3 Các nguyên tố trong thép hợp kim 243

Bảng 8.4 Các loại cốt thép (Tiêu chuẩn Liên Xô cũ) 244

Bảng 8.5 Yêu cầu kỹ thuật đối với thép thanh tròn trơn và thép thanh vằn [TCVN 1651:2008] 246

Bảng 8.6 Yêu cầu kỹ thuật cốt thép cán nóng [TCVN 1651-1985] 247

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cân kỹ thuật 18

Hình 1.2 Tủ sấy 18

Hình 1.3 Thước kẹp 18

Hình 1.4 Bình tỷ trọng 18

Hình 1.5 Xác định tính chống thấm 27

Hình 1.6 Sơ đồ biến dạng 32

Hình 1.7 Máy xác định cường độ chịu nén 34

Hình 1.8 Máy xác định cường độ chịu uốn 34

Hình 1.9 Súng bật nẩy xác định cường độ chịu nén của bê tông 35

Hình 1.10 Thiết bị xác định vận tốc siêu âm 35

Hình 1.11 Xác định độ cứng bằng bi thép Brinen 39

Hình 1.12 Xác định độ cứng theo phương pháp Rốc-oen 39

Hình 1.13 Thiết bị để xác định độ hao mòn của vật liệu 40

Hình 1.14 Máy xác định độ mài mòn 41

Hình 2.1 Bộ sàng cát (2,5; 1,25; 0,63; 0,315 và 0,14 mm) 46

Hình 2.2 Biểu đồ thành phần hạt của cốt liệu nhỏ [TCVN 7570:2006] 48

Hình 2.3 Biểu đồ thành phần hạt của cốt liệu lớn dùng để chế tạo bê tông xi măng và vữa xây dựng [TCVN 7570:2006] 50

Hình 2.4 Biểu đồ xác định tỷ lệ phối trộn theo phương pháp khối lượng thể tích 52

Hình 2.5 Biểu đồ xác định tỷ lệ phối hợp theo phương pháp tọa độ chữ nhật 53

Hình 3.1 Hạt clanhke pooclăng 63

Hình 3.2 Sơ đồ dây chuyền sản xuất xi măng 64

Hình 3.3 Sơ đồ dây chuyền sản xuất clanhke 65

Hình 3.4 John Smeaton (1724-1792) và ngọn hải đăng Eddystone 66

Hình 3.5 Dụng cụ vica xác định độ dẻo tiêu chuẩn và thời gian đông kết của xi măng70 Hình 3.6 Xác định tính ổn định thể tích của xi măng bằng dụng cụ Le Chatelier 73

Hình 3.7 Nhiệt thủy hóa các khoáng vật của clanhke xi măng 74

Hình 3.8 Sơ đồ đặt mẫu thí nghiệm 77

Hình 3.9 Quan hệ giữa lượng Alit và độ bền nén của đá xi măng 78

Hình 3.10 Sự phát triển cường độ đá xi măng của các khoáng của Clinke 78

Hình 3.11 Quan hệ giữa độ mịn và độ bền nén của đá xi măng 79

Hình 3.12 Quan hệ giữa nhiệt độ và áp suất rắn chắc với độ bền nén của đá xi măng 79 Hình 3.13 Quan hệ giữa nhiệt độ rắn chắc và độ bền nén của đá xi măng 79

Hình 4.1 Xác định độ sụt của hỗn hợp bê tông 110

Hình 4.2 Xác định độ cứng bằng phương pháp Skramtaev 110

Hình 4.3 Lượng nước dùng cho 1m3 bê tông phụ thuộc vào độ lớn của sỏi 113

Hình 4.4 Biểu đồ xác định hệ số α 115

Hình 4.5 Khuôn đúc mẫu bê tông lập phương và máy đầm rung để chế tạo mẫu 116

Hình 4.6 Máy nén xác định cường độ chịu nén 116

Hình 4.7 Xác định cường độ chịu kéo khi uốn 121

Hình 4.8 Sự phụ thuộc của cường độ bê tông vào lượng nước nhào trộn 123

Hình 4.9 Sự phụ thuộc của cường độ bê tông vào đá xi măng 123

Hình 4.10 Quan hệ cường độ bê tông, đá xi măng theo Bolomey-Skramtaev 124

Hình 4.11 Độ co ngót 127

Hình 4.12 Thiết bị xác định tính chống thấm của bê tông 128

Hình 4.13 Một vài thiết bị thi công bê tông 155

Hình 5.1 Bàn dằn xác định độ lưu động của vữa 175

Hình 5.2 Dụng cụ thử khả năng giữ độ lưu động 176

Hình 5.3 Dụng cụ thử thời gian bắt đầu đông kết 177

Hình 5.4 Sơ đồ đặt mẫu thí nghiệm cường độ ép chẻ 185

Hình 6.1 Dụng cụ đo độ quánh 189

Hình 6.2 Dụng cụ đo độ kéo dài 190

Hình 6.3 Dụng cụ vòng và bi 191

Hình 6.4 Dụng cụ xác định điểm chớp cháy và điểm cháy 192

Hình 6.5 Các loại nhớt kế xác định độ nhớt của nhựa đường lỏng 195

Hình 6.6 Thiết bị thí nghiệm điểm chớp cháy của nhựa đường lỏng 196

Hình 6.7 Thử nghiệm chưng cất nhựa đường lỏng 197

Hình 7.1 Sơ đồ bố trí dụng cụ thử nghiệm khối lượng riêng của BTN 211

Hình 7.2 Máy nén Marshall 212

Hình 7.3 Đường cong lưu biến của BTN 216

Hình 7.4 Trạm trộn bê tông nhựa 221

Hình 7.5 Ví dụ về dây chuyền thi công bê tông nhựa 222

Hình 7.6 Đồ thị quan hệ giữa hàm lượng nhựa với các chỉ tiêu liên quan 227

Hình 7.7 Khoảng hàm lượng nhựa tối ưu (chấp thuận) 227

Hình 8.1 Biểu đồ kéo của kim loại 237

Hình 8.2 Ví dụ về thép thanh vằn 246

Hình 8.3 Thép cốt nhóm CII 247

Hình 8.4 Thép cốt nhóm CIII 247

Hình 8.5 Dây thép có rãnh khía tôi và ram 247

Hình 8.6 Dây thép vằn tròn tôi và ram 248

Hình 8.7 Các dạng chủ yếu của thép hình cán 249 Hình 8.8 Các loại thép hình uốn nguội từ thép tấm dày (1 ÷ 8) mm 249

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

BTCT bê tông cốt thép

BTNC bê tông nhựa chặt

BTNNC bê tông nhựa độ nhám cao

BTNR bê tông nhựa rỗng

BTXM bê tông xi măng

CLL cốt liệu lớn

CLN cốt liệu nhỏ

CPĐD cấp phối đá dăm

CPTC cấp phối tiêu chuẩn

CPTN cấp phối thiên nhiên

KLR khối lượng riêng

KLTT khối lượng thể tích

VLK vật liệu khoáng

VLXD vật liệu xây dựng

MỞ ĐẦU

0.1 KHÁI NIỆM CHUNG

Vật liệu xây dựng (VLXD) là những vật thể thiên nhiên hoặc nhân tạo được liên kết với

nhau và tạo nên các công trình xây dựng Ví dụ: đá, gỗ, xi măng, cát, bê tông

VLXD chiếm một vị trí quan trọng đặc biệt trong các công trình xây dựng, chất lượng của vật liệu có ảnh hưởng lớn đến chất lượng và tuổi thọ công trình Mặt khác sử dụng vật liệu để xây dựng các công trình có liên quan mật thiết đến giá cả công trình, thông thường chi phí vật liệu khoảng 74% ÷ 75% đối với các công trình xây dựng dân dụng, khoảng 70% đối với các công trình giao thông, khoảng 50% đối với các công trình thuỷ lợi so với tổng giá thành công trình Vì vậy, muốn sử dụng VLXD đạt hiệu quả kinh tế và kỹ thuật chúng

ta cần hiểu rõ từng loại VLXD về: cấu tạo, các tính chất vật lý, hoá học, cơ học cũng như những tính chất đặc trưng khác của chúng để từ đó có các phương pháp khai thác, chế tạo,

sử dụng, bảo quản vật liệu hợp lý

Các vật liệu cơ bản được ứng dụng trong các công trình xây dựng là:

+ Đất đá và các sản phẩm từ đất đá;

+ Xi măng, vữa xây dựng và bê tông xi măng (BTXM);

+ Bitum (nhựa đường) và bê tông nhựa (bê tông asphalt);

+ Kim loại;

+ Gỗ

0.2 PHÂN LOẠI VẬT LIỆU XÂY DỰNG

0.2.1 Theo thành phần vật liệu

Vật liệu xây dựng có rất nhiều loại song có thể phân ra thành các loại chính sau:

- Vật liệu vô cơ: các loại vật liệu đá thiên nhiên, vật liệu nung (gạch, ngói, gốm xây

dựng, ), chất kết dính vô cơ, bê tông, vữa các loại,

- Vật liệu hữu cơ: các loại vật liệu gỗ, tre, nhựa, keo và chất dẻo, sơn và véc ni

- Vật liệu kim loại: các loại vật liệu và sản phẩm bằng gang, thép, kim loại màu, hợp

kim

0.2.2 Theo hình thức khai thác sử dụng

- Vật liệu thiên nhiên: có sẵn trong thiên nhiên chỉ việc sơ chế là có thể sử dụng được

như: đá, gỗ

- Vật liệu nhân tạo: phải qua quá trình chế tạo sản xuất, phối hợp nhiều loại vật liệu với

nhau như: sắt thép, bê tông, vữa, vôi, xi măng, gạch ngói

0.2.3 Theo cấu trúc vật liệu

a Cấu trúc vĩ mô

Cấu trúc vĩ mô là cấu trúc của vật liệu mà ta quan sát được bằng mắt thường Dựa vào hình dạng bên ngoài của vật liệu có thể phân loại VLXD như sau:

- Vật liệu đá nhân tạo đặc: loại này khá phổ biến trong xây dựng như bê tông nặng,

gạch ốp lát, gạch silicat, vật liệu gốm loại này thường có cường độ, khả năng chống thấm, tính chống ăn mòn tốt hơn vật liệu rỗng cùng loại, nhưng nặng nề và cách âm, cách nhiệt kém Bằng mắt thường cũng có thể nhìn thấy những liên kết thô của nó, ví dụ: thấy được lớp đá xi măng liên kết với hạt cốt liệu, độ dày của lớp đá, độ lớn của hạt cốt liệu: phát hiện được những hạt, vết rạn nứt lớn,

- Vật liệu cấu tạo rỗng: có thể là những vật liệu có những lỗ rỗng lớn như bê tông khí,

bê tông bọt, chất dẻo tổ ong hoặc những vật liệu có những lỗ rỗng bé (vật liệu dùng đủ nước, dùng phụ gia cháy) Loại vật liệu này có cường độ, độ chống ăn mòn kém hơn vật liệu đặc cùng loại, nhưng khả năng cách nhiệt, cách âm tốt hơn Lượng lỗ rỗng, kích thước, hình dạng, đặc tính và sự phân bố của lỗ rỗng có ảnh hưởng lớn đến tính chất của vật liệu

- Vật liệu cấu tạo dạng sợi: như gỗ, các sản phẩm có từ bông khoáng và bông thủy tinh,

tấm sợi gỗ ép có cường độ, độ dẫn nhiệt và các tính chất khác rất khác nhau theo phương dọc và theo phương ngang thớ

- Vật liệu có cấu trúc dạng lớp: như đá phiến ma, diệp thạch sét v.v là vật liệu có tính

dị hướng (tính chất khác nhau theo các phương khác nhau)

- Vật liệu hạt rời: như cốt liệu, vật liệu dạng bột như xi măng, bột vôi sống, các vật liệu

này có các tính chất và công dụng khác nhau tùy theo thành phần độ lớn và trạng thái bề mặt hạt

- Dạng vô định hình: là những chất có thể tồn tại ở nhiều trạng thái khác nhau Dạng vô

định hình có thể chuyển sang dạng tinh thể bền hơn

c Cấu tạo bên trong

Cấu tạo bên trong là cấu tạo nguyên tử, phân tử, hình dáng kích thước của tinh thể, liên kết nội bộ giữa chúng Cấu tạo bên trong của các chất quyết định đến cường độ, độ cứng,

độ bền nhiệt và nhiều tính chất quan trọng khác

Khi nghiên cứu các chất có cấu tạo tinh thể, người ta phải phân biệt chúng dựa vào đặc điểm của mối liên kết giữa các phần tử để tạo ra mạng lưới không gian Tùy theo kiểu liên

kết, mạng lưới này có thể được hình thành từ các nguyên tử trung hòa (kim cương, SiO2) các ion (CaCO3, kim loại), phân tử (nước đá)

- Liên kết cộng hóa trị: được hình thành từ những đôi điện tử dùng chung, trong những

tinh thể của các chất đơn giản (kim cương, than chì) hay trong các tinh thể của hợp chất gồm hai nguyên tố (thạch anh) Nếu hai nguyên tử giống nhau thì cặp điện tử dùng chung thuộc cả hai nguyên tử đó Nếu hai nguyên tử có tính chất khác nhau thì cặp điện tử bị lệch

về phía nguyên tố có tính chất á kim mạnh hơn, tạo ra liên kết cộng hóa trị có cực Những vật liệu có liên kết dạng này có cường độ, độ cứng cao và rất khó chảy

- Liên kết ion: được hình thành trong các tinh thể vật liệu mà các nguyên tử khi tương

tác với nhau nhường điện tử cho nhau hình thành các ion âm và ion dương Các ion trái dấu hút nhau để tạo ra phân tử Vật liệu xây dựng có liên kết loại này (thạch cao, anhiđrit)

có cường độ và độ cứng thấp, không bền nước, trong những loại VLXD thường gặp như canxit, fenspat với những tinh thể phức tạp gồm những tinh thể gồm cả liên kết cộng hóa trị và liên kết ion Bên trong ion phức tạp CO32-

là liên kết cộng hóa trị Nhưng chính nó liên kết với Ca2+ bằng liên kết ion (CaCO3) có cường độ khá cao

- Liên kết phân tử: được hình thành chủ yếu trong những tinh thể của các chất có liên

0.3 SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA VẬT LIỆU XÂY DỰNG

Cùng với sự phát triển của sức sản xuất, quan hệ sản xuất cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật nói chung ngành VLXD cũng đã phát triển từ thô sơ, đến tinh vi, từ giản đơn đến phức tạp và chất lượng vật liệu ngày càng được nâng cao

Từ xưa loài người đã biết dùng các vật liệu sẵn có trong thiên nhiên như đất, rơm, rạ,

đá, gỗ để xây dựng nhà cửa, cung điện, thành quách Những nơi ở xa núi đá người ta đã biết dùng gạch mộc, về sau đã biết dùng gạch ngói bằng đất sét nung Để gắn các viên gạch

đá rời rạc lại với nhau từ xưa đã biết dùng đất sét, thạch cao, vôi

VD: ở Ba Tư 2000 năm tr.CN người ta đã biết dùng chất asphalt thiên nhiên để làm chất kết dính, ở La Mã đã xây dựng được những tường đá lớn với chất lượng tốt vào thế kỷ thứ IV

Do nhu cầu xây dựng nhiều công trình tiếp xúc với nước và nằm trong nước, người ta

đã dần dần nghiên cứu tìm ra những chất kết dính mới có khả năng kết rắn trong nước Trước tiên là chất kết dính hỗn hợp gồm vôi rắn trong không khí với chất phụ gia hoạt tính, tiếp đó là sự phát minh ra vôi thuỷ, xi măng La Mã, và đến đầu thế kỷ XIX thì phát minh ra

xi măng Pooclăng

Thời kỳ TBCN do nhu cầu xây dựng công nghiệp mở rộng, yêu cầu về phát triển giao thông và yêu cầu phục vụ cho quân sự đòi hỏi vật liệu phải có sức chịu đựng cao nên đã sử dụng nhiều các vật liệu kim loại, BTCT, bê tông dự ứng lực Đến cuối thế kỷ XIX và đầu thế kỷ XX việc sử dụng các loại vật liệu đá nhân tạo như gạch Silicat, Fibro xi măng, bê tông xỉ lò cao, vật liệu cách nhiệt, ngăn nước đều phát triển

Ngày nay kỹ thuật sản xuất và sử dụng VLXD trên thế giới đã đạt trình độ cao

Ở Việt Nam, từ xa xưa đã có các công trình bằng gỗ, gạch đá xây dựng rất tinh vi, sử dụng vật liệu rất sành sỏi như công trình đá thành nhà Hồ (Thanh Hoá), công trình đất Cổ Loa (Đông Anh - Hà Nội), các đền chùa đá nhà Lý (chùa Thầy - Hà Nội) Nhưng trong suốt thời kỳ phong kiến, thực dân thống trị, kỹ thuật về VLXD không được đúc kết, đề cao

và phát triển Do đó có thể nói là cho đến trước cách mạng tháng 8-1945 ở Việt Nam chưa

có khoa học vật liệu

Sau cách mạng tháng 8 và nhất là sau chiến thắng thực dân Pháp (1954) để đáp ứng cho nhu cầu xây dựng CNXH ở miền Bắc ngày càng lớn, Đảng và Chính phủ rất quan tâm đến việc phát triển ngành VLXD và chỉ trong một thời gian ngắn (1955÷1962) nhân dân ta

đã nhanh chóng khôi phục và mở rộng nhà máy xi măng Hải Phòng đưa công suất lên gấp đôi, xây dựng các nhà máy bê tông đúc sẵn, nhà máy silicat, nhà máy cưa xẻ gỗ, gạch chịu lửa, khu gang thép Thái Nguyên cũng đã bắt đầu cung cấp cho ngành xây dựng cơ bản các loại thép xây dựng

Trong những năm chống chiến tranh phá hoại của đế quốc Mỹ, việc sản xuất vật liệu tuy có khó khăn song vẫn đáp ứng được cho công cuộc chống Mỹ cứu nước và xây dựng CNXH ở miền Bắc

Sau khi ký kết hiệp định Pari lập lại hoà bình ở Việt Nam, nhu cầu xây dựng cơ bản rất lớn nên nhu cầu VLXD tăng nhanh, do đó ngoài việc khôi phục nhanh chóng các xí nghiệp sản xuất VLXD còn phải chú trọng đầu tư để mở rộng và xây dựng mới nhiều nhà máy sản xuất VLXD

Ngày nay, công tác nghiên cứu khoa học, đào tạo cán bộ khoa học kỹ thuật đang được đẩy mạnh các mặt về công tác quản lý sản xuất, lưu thông, phân phối VLXD cũng đã và đang được cải tiến dần từng bước

0.4 PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN CÔNG NGHIỆP VẬT LIỆU XÂY DỰNG

Nói chung để phát triển các mặt hàng về VLXD tăng nhanh sản lượng và chất lượng sản phẩm, hạ giá thành và giảm nhẹ cường độ lao động cho người sản xuất, công nghiệp sản xuất VLXD được phát triển theo những phương châm cơ bản sau :

+ Cơ khí hoá và tự động hoá quá trình công nghệ sản xuất VLXD và sản phẩm, kết hợp chặt chẽ với khâu thiết kế để tiêu chuẩn hoá kích thước quy cách, phẩm chất các loại vật liệu và sản phẩm Kế hoạch hoá cao khâu khai thác chế biến, lưu thông, phân phối và sử

dụng VLXD Đẩy mạnh công tác nghiên cứu khoa học VLXD cho phù hợp với tài nguyên, khí hậu mỗi địa phương Đồng thời nghiên cứu ứng dụng những tiến bộ khoa học kỹ thuật của các ngành khác vào công nghiệp sản xuất VLXD

+ Công xưởng hoá VLXD cấu kiện và tìm cách thi công lắp ghép, kết hợp chặt chẽ các khâu thiết kế và thi công để định ra chế độ sử dụng tiết kiệm các loại vật liệu

+ Tận dụng các nguồn nguyên liệu địa phương và các nguồn phế liệu công nghiệp để sản xuất VLXD

Equation Section 1

Chương 1: CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU XÂY DỰNG

Quá trình làm việc trong công trình, vật liệu chịu sự tác dụng của tải trọng bên ngoài và môi trường xung quanh Tải trọng sẽ gây ra biến dạng và ứng suất trong vật liệu Do đó, để kết cấu công trình làm việc an toàn thì trước tiên vật liệu phải có khả năng chống lại sự phá hoại do biến dạng và ứng suất Ngoài ra, vật liệu còn phải có đủ độ bền vững chống lại các tác dụng vật lý và hóa học của môi trường Trong một số trường hợp đối với vật liệu còn

có một số yêu cầu riêng về nhiệt, âm, chống phóng xạ Như vậy, yêu cầu về tính chất của vật liệu rất đa dạng

Để thuận lợi cho việc nghiên cứu và sử dụng vật liệu, có thể phân tính chất của vật liệu thành các nhóm như: nhóm tính chất đặc trưng cho trạng thái và cấu trúc, nhóm tính chất vật lý, tính chất cơ học, tính chất hóa học và một số tính chất mang ý nghĩa tổng hợp khác như tính công tác, tính tuổi thọ

Để tránh ảnh hưởng của các yếu tố khách quan trong quá trình thí nghiệm, cần phải xác

định tính chất tiêu chuẩn của vật liệu Đó là các tính chất được xác định trong điều kiện

và phương pháp chuẩn quy định trong các Tiêu chuẩn Nhà nước (TCVN), Tiêu chuẩn xây dựng (TCXD), Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam (TCXDVN) hoặc Tiêu chuẩn ngành ( TCN ) Hiện nay các tiêu chuẩn ngành sẽ được chuyển đổi thành TCVN theo Luật Tiêu chuẩn và Quy chuẩn kỹ thuật Các tiêu chuẩn có thể được bổ sung và chỉnh lí tùy theo trình

độ sản xuất và yêu cầu sử dụng vật liệu Đặc biệt, đối với 1 số loại vật liệu xây dựng chưa

có tiêu chuẩn và yêu cầu kỹ thuật quy định thì có thể dùng các tiêu chuẩn của nước ngoài như: Tiêu chuẩn của Mỹ (AASHTO, ASTM, ACI), Tiêu chuẩn của Anh (BS), Tiêu chuẩn của Úc (AS), Tiêu chuẩn của Nhật Bản (JIS), Tiêu chuẩn của Pháp (NF),

1.1 TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA VẬT LIỆU

1.1.1 CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI & ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC

1.1.1.1 Khối lượng riêng

Khối lượng riêng là khối lượng của một đơn vị thể tích vật liệu ở trạng thái hoàn toàn

khô và đặc

Khối lượng riêng ký hiệu là a, tính theo công thức:

a

k a

Va - thể tích vật liệu ở trạng thái hoàn toàn đặc (cm3)

Khối lượng riêng còn được tính theo các đơn vị: kg/dm3

, kg/m3 (theo Nghị định 134/2007/NĐ-CP không cho phép sử dụng đơn vị đo như kg/ℓ, t/m3

)

Để xác định khối lượng riêng của vật liệu cần xác định khối lượng vật liệu khô hoàn toàn (Gk) và thể tích vật liệu đặc hoàn toàn (Va)

- Xác định khối lượng vật liệu khô hoàn toàn (G k ): sấy vật liệu ở nhiệt độ 105 °C ÷ 110

°C trong tủ sấy cho tới khi chênh lệch giữa hai lần cân bằng cân kỹ thuật không vượt quá 0,1% khối lượng Thời gian giữa hai lần cân liên tiếp không ít hơn 30 phút Cân kỹ thuật là cân có độ chính xác cao, đạt độ chính xác 0,001 g ÷ 0,1 g tùy từng thí nghiệm

- Xác định thể tích vật liệu đặc hoàn toàn (V a ) tùy theo loại vật liệu cụ thể:

+ Với vật liệu được xem là hoàn toàn đặc (như kim loại, kính, ) có dạng hình học (khối lập phương, khối hình hộp chữ nhật, hình trụ, ) hoặc đã gia công thành dạng hình học:

Hình 1.1 Cân kỹ thuật

Hình 1.2 Tủ sấy

đo kích thước mẫu vật liệu (dùng thước kẹp với độ chính xác đến 0,1mm) và tính thể tích của mẫu vật liệu;

+ Với vật liệu được xem là hoàn toàn đặc có hình dạng bất kỳ: phương pháp chiếm chỗ của chất lỏng bằng cách thả vật liệu vào bình tỷ trọng;

+ Với vật liệu có cấu trúc rỗng (gạch, bê tông, ): nghiền nhỏ thành hạt có đường kính nhỏ hơn 0,2 mm và cho bột vật liệu chiếm chỗ của chất lỏng trong bình tỷ trọng;

+ Với vật liệu ở trạng thái lỏng hoặc nhớt dùng phù kế

Chú ý: Chất lỏng dùng để thí nghiệm không có phản ứng hóa học với vật liệu Ví dụ: khi xác định thể tích bột xi măng không dùng nước mà dùng xăng

Khối lượng riêng chỉ phụ thuộc vào thành phần hóa học và cấu trúc vi mô của vật liệu nên biến động trong phạm vi rất nhỏ, đặc biệt là những loại vật liệu cùng loại sẽ có khối lượng riêng tương tự nhau Vì vậy, khối lượng riêng thường dùng để phân biệt những loại vật liệu có hình thức bên ngoài giống nhau, để tính toán thành phần của một số vật liệu hỗn hợp Ngoài ra, có thể dùng khối lượng riêng để phán đoán một số tính chất của vật liệu, để xác định độ đặc, độ rỗng của vật liệu

), tính theo công thức:

o

k o

Gk - khối lượng vật liệu ở trạng thái khô hoàn toàn (g);

Vo - thể tích của mẫu vật liệu ở trạng thái tự nhiên (kể cả thể tích lỗ rỗng), đã được

sấy khô (cm3

)

Bên cạnh đó, trong thực tế còn sử dụng khối lượng thể tích ẩm của vật liệu, ký hiệu là

ow (hoặc otn), tính theo công thức:

w o

w w o

Vow - thể tích của mẫu vật liệu ở trạng thái tự nhiên, có kể đến lượng nước bên trong

vật liệu (cm3

)

Khối lượng thể tích cũng được tính theo các đơn vị kg/dm3

, kg/m3 Ngoài ra, đối với vật liệu hạt rời rạc còn sử dụng khái niệm khối lượng thể tích xốp khi xét đến cả phần thể tích rỗng nằm giữa các hạt, ký hiệu ox

th

VL x o

GVL - khối lượng vật liệu trong thùng đong (g);

Vth - thể tích của thùng đong chứa vật liệu (cm3)

Để xác định khối lượng thể tích của vật liệu cần xác định khối lượng vật liệu khô hoàn toàn (Gk) hoặc ở trạng thái tự nhiên (Gw) và thể tích tự nhiên của vật liệu (V0)

- Xác định khối lượng vật liệu: dùng cân kỹ thuật để cân mẫu vật liệu đã được sấy khô hoàn toàn (G k ) hoặc cân mẫu vật liệu ở trạng thái tự nhiên (G w )

- Xác định thể tích tự nhiên (V 0 ) tùy theo loại vật liệu cụ thể:

+ Với vật liệu có dạng hình học (có hình dạng, kích thước rõ ràng như: khối lập phương, khối hình hộp chữ nhật, hình trụ, ) hoặc đã gia công thành dạng hình học: đo kích thước mẫu vật liệu (dùng thước kẹp với độ chính xác đến 0,1 mm) và tính thể tích của mẫu vật liệu;

+ Với vật liệu không có kích thước hình học rõ ràng dùng phương pháp chiếm chỗ trong chất lỏng bằng cách thả vật liệu (đã được bọc một lớp parafin hoặc ngâm nước bão hòa) vào bình tỷ trọng Phương pháp này được áp dụng tính khối lượng thể tích đặc của các vật liệu rời rạc (xi măng, cát, sỏi, đá dăm, );

+ Khi xác định khối lượng thể tích xốp (có xét đến thể tích phẫn rỗng giữa các hạt) của vật liệu rời rạc (xi măng, cát, sỏi, đá dăm, ) đổ đầy vật liệu vào một thùng đong có thể tích (V th ) đã biết trước tùy thuộc kích thước hạt thông qua phễu tiêu chuẩn, rồi dùng thước thẳng tì trên miệng thùng gạt bỏ các hạt vật liệu thừa cao hơn miệng thùng Sau đó tiến hành cân xác định khối lượng vật liệu trong thùng (G VL )

Khối lượng thể tích của các loại vật liệu thay đổi trong phạm vi rất rộng, nó phụ thuộc thành phần và cấu trúc bản thân vật liệu Khối lượng thể tích xốp của vật liệu rời rạc (ox) còn phụ thuộc kích thước hạt và sự sắp xếp giữa các hạt

Khối lượng thể tích được dùng để đánh giá sơ bộ một số tính chất của vật liệu: độ đặc,

độ rỗng, độ hút nước, cường độ, mức độ truyền nhiệt Ngoài ra, có thể dùng để tính toán thành phần vật liệu hỗn hợp (bê tông xi măng, vữa, ), tính toán vận chuyển vật liệu, kho bãi, tính kết cấu xây dựng

1.1.1.3 Độ đặc, độ rỗng

Độ đặc là tỷ lệ giữa thể tích vật liệu đặc hoàn toàn và thể tích tự nhiên của vật liệu

Độ đặc ký hiệu là đ, tính theo công thức:

GV



o

k o

GV

Độ rỗng là tỷ lệ giữa thể tích lỗ rỗng trong vật liệu và thể tích tự nhiên của vật liệu

Độ rỗng ký hiệu là r, tính theo công thức:

o r

V

V1V

VVr

a o

o a

Độ đặc, độ rỗng được xác định gián tiếp qua Vo và Va hoặc o và a

Các lỗ rỗng trong vật liệu bao gồm lỗ rỗng kín và lỗ rỗng hở Lỗ rỗng kín là lỗ rỗng riêng biệt, không thông nhau và không thông với bên ngoài; lỗ rỗng hở là lỗ rỗng thông với nhau và thông với bên ngoài Ngoài ra, còn phân biệt lỗ rỗng trong từng hạt hoặc lỗ rỗng giữa các hạt

Độ rỗng trong vật liệu thay đổi trong phạm vi rất rộng, ví dụ: độ rỗng của gạch đất sét là

r = 15% ÷ 50%, của bê tông xi măng r = 10% ÷ 81% Số lượng, cấu tạo và sự phân bố các

lỗ rỗng có ảnh hưởng lớn đến tính chất vật liệu Lỗ rỗng hở làm tăng độ thấm nước và độ hút nước, giảm khả năng chịu lực, nhưng trong các vật liệu và sản phẩm hút âm thì lỗ rỗng

hở lại cần thiết Vật liệu có nhiều lỗ rỗng kín thì cường độ cao hơn, cách âm, cách nhiệt tốt Dựa vào độ rỗng có thể phán đoán được một số tính chất của vật liệu như: khả năng chịu lực, chống thấm, các tính chất có liên quan đến hút nước, cách âm, cách nhiệt,

1.1.1.4 Độ mịn

Độ mịn (còn gọi là độ lớn) là chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá kích thước hạt của vật liệu

dạng hạt rời rạc hoặc dạng bột

Độ mịn được xác định thông qua sàng vật liệu (tỷ lệ % lọt sàng), đo bề mặt riêng S y

(hoặc tỉ diện - là tổng diện tích bề mặt các hạt trong 1 đơn vị khối lượng vật liệu tính theo

cm 2 /g), xác định khả năng lắng đọng của vật liệu trong chất lỏng,

Sự thay đổi độ mịn sẽ làm thay đổi độ rỗng giữa các hạt, thay đổi khả năng tương tác, phân tán của vật liệu trong các môi trường Vì vậy, tuỳ từng vật liệu và mục đích sử dụng

mà tăng hoặc giảm độ mịn

Đối với các vật liệu hạt rời rạc khi xác định độ mịn còn phải chú ý đến hàm lượng các nhóm cỡ hạt, hình dạng và tính chất các hạt (góc thấm ướt, tính nhám ráp, khả năng hấp thụ, khả năng liên kết với các vật liệu khác, )

Bảng 1.1 Khối lượng riêng, khối lượng thể tích và độ rỗng của một số loại vật liệu

Tên vật liệu Khối lượng riêng

Gạch đất sét thường 2,65 ÷ 2,7 1,6 ÷ 1,9 28,3 ÷ 40,7 Gạch đất sét rỗng ruột 2,65 ÷ 2,7 1,3 ÷ 1,45 45,3 ÷ 51,9

1.1.2 NHỮNG TÍNH CHẤT CÓ LIÊN QUAN ĐẾN NƯỚC

1.1.2.1 Nước ở trong vật liệu

Trong vật liệu luôn chứa một lượng nước nhất định Tuỳ theo bản chất của vật liệu, thành phần, tính chất bề mặt và đặc tính lỗ rỗng của nó mà mức độ liên kết giữa nước với vật liệu có khác nhau Dựa vào mức độ liên kết đó, nước trong vật liệu được chia thành 3 loại: Nước hoá học, nước hoá lý và nước cơ học

- Nước hoá học: là nước tham gia vào thành phần của vật liệu và có liên kết bền với vật

liệu Nước hoá học chỉ bị bay hơi ở nhiệt độ cao (trên 500 °C) và khi nó bay hơi thì ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu

Ví dụ: Caolinit Al 2 O 3 2SiO 2 2H 2 O bị mất nước sẽ mất tính dẻo; amiăng 3MgO.2SiO 2 2H 2 O bị mất nước thì giòn, cường độ giảm rất nhiều

- Nước hoá lý (nước hấp phụ): là nước có liên kết với vật liệu bằng lực hút phân tử

Vandecvan hoặc lực tĩnh điện bề mặt (nước màng) Lớp nước liên kết trực tiếp với vật liệu thì rất bền thậm chí có khả năng chịu lực và lực liên kết sẽ giảm dần theo chiều dày màng nước Lượng nước này chỉ thay đổi dưới tác dụng của môi trường (nhiệt độ, độ ẩm), khi đó

nó biến thành hơi, ở một mức độ nào đó, sự biến đổi này làm thay đổi tính chất của vật liệu

- Nước cơ học (nước tự do hay nước mao quản): loại này hầu như không liên kết với

vật liệu Nó xâm nhập vào vật liệu do tác dụng của lực mao dẫn (nước mao quản) hoặc do lực trọng trường (nước tự do) Loại nước này có thể dễ dàng thay đổi trong điều kiện thường và hầu như không gây ra ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu

1.1.2.2 Độ ẩm

Độ ẩm là chỉ tiêu đánh giá lượng nước có thật trong vật liệu tại thời điểm thí nghiệm

Độ ẩm được xác định thông qua tỷ số giữa khối lượng nước tự nhiên có trong vật liệu với khối lượng vật liệu khô

Độ ẩm được ký hiệu là W, tính theo công thức:

%100.G

GW

G

Trong đó:

Gn - khối lượng nước có trong vật liệu tại thời điểm làm thí nghiệm (g);

Gk - khối lượng vật liệu ở trạng thái khô hoàn toàn (g);

Gw - khối lượng vật liệu ở trạng thái tự nhiên kể cả nước ở bên trong (g)

Độ ẩm được xác định bằng cách lấy mẫu vật liệu, cân mẫu ở trạng thái tự nhiên tại thời điểm thí nghiệm Sấy khô mẫu vật liệu đến khối lượng không đổi ở nhiệt độ (105 ÷ 110) °C, cân xác định khối lượng vật liệu khô rồi tính theo công thức

Khi để vật liệu trong môi trường không khí, tuỳ thuộc độ ẩm, nhiệt độ, áp suất không khí vật liệu có thể hút hoặc nhả hơi ẩm làm thay đổi độ ẩm Mức độ hút hoặc nhả hơi ẩm phụ thuộc vào bản chất của vật liệu, đặc tính của lỗ rỗng và môi trường Trong cùng một điều kiện môi trường nếu vật liệu càng rỗng thì độ ẩm của nó càng cao Ở môi trường không khí khi áp lực hơi nước tăng (độ ẩm tương đối của không khí tăng) thì độ ẩm của vật liệu tăng Độ ẩm tăng kéo theo sự thay đổi các tính chất khác của vật liệu như cường độ, độ cứng giảm và ngược lại

Đặc biệt, đối với một số vật liệu hữu cơ hay vô cơ khi bị thay đổi độ ẩm thì kích thước

và thể tích vật liệu cũng bị thay đổi Khi độ ẩm giảm, vật liệu co lại do chiều dầy lớp nước hấp phụ quanh các phần tử vật liệu giảm xuống, các phần tử xích lại gần nhau, nó khác với

sự bay hơi nước tự do trong các lỗ rỗng lớn không làm các phần tử vật liệu xích lại gần nhau nên tuy giảm độ ẩm nhưng không gây co Khi độ ẩm tăng, vật liệu nở ra do các phân

tử nước có cực xâm nhập vào khe hở giữa các phần tử và đẩy chúng xa nhau, chiều dầy lớp nước hấp phụ tăng làm cho kích thước và thể tích vật liệu tăng lên

Vì vậy, trong một số trường hợp người ta phải xác định các tính chất của vật liệu trong các điều kiện độ ẩm nhất định

1.1.2.3 Độ hút nước

Độ hút nước là khả năng hút và giữ nước của vật liệu ở điều kiện thường

Độ hút nước được xác định theo khối lượng hoặc theo thể tích

+ Độ hút nước theo khối lượng là tỷ số giữa khối lượng nước hút vào và khối lượng

vật liệu khô, ký hiệu là Hp, tính theo công thức:

%100.G

GG

%100.G

GH

k

k w

k

n p





+ Độ hút nước theo thể tích là tỷ số giữa thể tích nước hút vào và thể tích tự nhiên của

vật liệu, ký hiệu là Hv, tính theo công thức:

%100.G.)GG(

%100.V

VH

k 0

an

k w

o

n v

Gk - khối lượng của mẫu vật liệu khô hoàn toàn (g);

Gw - khối lượng của mẫu vật liệu sau khi ngâm nước (g);

Gn - khối lượng nước mà mẫu vật liệu đã hút vào sau khi ngâm nước (g);

Vn - thể tích nước mà mẫu vật liệu hút vào sau khi ngâm nước (cm3);

an - khối lượng riêng của nước; an ≈ 1 (g/cm3)

Độ hút nước theo khối lượng và độ hút nước theo thể tích có quan hệ với nhau:

an

0 p an

0

k

k w

G

)GG(H

Ví dụ: thời gian ngâm mẫu đá dăm có kích thước hạt không lớn hơn 40 mm là 24 giờ ± 4 giờ (TCVN 7572-4:2006), kích thước hạt lớn hơn 40 mm là 48 giờ (TCVN 7572-5:2006)

Độ hút nước của vật liệu phụ thuộc vào độ rỗng, đặc tính của lỗ rỗng, bản chất ưa nước hay kỵ nước của vật liệu Do nước chỉ có thể chui vào các lỗ rỗng hở nên độ hút nước luôn nhỏ hơn độ rỗng của vật liệu Độ hút nước được tạo thành khi ngâm trực tiếp vật liệu vào nước, do đó với cùng một mẫu vật liệu đem thí nghiệm thì độ hút nước sẽ lớn hơn độ ẩm Khi độ hút nước tăng lên sẽ làm cho thể tích của một số vật liệu tăng và khả năng thu nhiệt tăng nhưng cường độ chịu lực và khả năng cách nhiệt giảm đi

1.1.2.4 Độ bão hoà nước

Độ bão hoà nước là độ hút nước cực đại của vật liệu trong điều kiện cưỡng bức (bằng

nhiệt độ hoặc bằng áp suất)

Độ bão hòa nước được xác định thông qua độ hút nước bão hòa theo khối lượng, độ hút nước bão hòa theo thể tích

+ Độ hút nước bão hòa theo khối lượng ký hiệu là Hpbh, được tính theo công thức:

%100.G

GG

%100.G

GH

k k bh w

k

bh n bh p

%100.V

VH

k 0

an k bh w

0

bh n bh v

Gk - khối lượng của mẫu vật liệu khô hoàn toàn (g);

Gwbh - khối lượng của mẫu vật liệu sau khi ngâm nước bão hòa (g);

Gnbh - khối lượng nước mà mẫu vật liệu đã hút vào sau khi ngâm nước bão hòa (g);

Vnbh - thể tích nước mẫu vật liệu đã hút vào sau khi ngâm nước bão hòa (cm3);

an - khối lượng riêng của nước; an ≈ 1 (g/cm3)

+ Hệ số bão hòa nước là tỷ lệ giữa lượng nước mà vật liệu hút được ở trạng thái cưỡng

bức với thể tích lỗ rỗng của vật liệu, ký hiệu là Cbh, xác định theo công thức:

r

HV

VC

bh v

r

bh n

- Phương pháp nhiệt độ: sấy khô mẫu vật liệu để xác định khối lượng vật liệu khô

hoàn toàn Đun mẫu thí nghiệm đã sấy khô trong nước sôi 4 giờ, để nguội đến nhiệt độ phòng rồi vớt mẫu ra lau khô bề mặt mẫu xác định khối lượng vật liệu ẩm

- Phương pháp áp suất: sấy khô mẫu vật liệu để xác định khối lượng vật liệu khô hoàn

toàn Ngâm mẫu thí nghiệm đã sấy khô trong 1 bình kín đựng nước và hạ áp lực trong bình xuống 20 mmHg (1)

đến khi không còn bọt khí thoát ra khỏi mẫu vật liệu thì trả áp lực bình thường là 760 mmH (2)

và giữ thêm 2 giờ nữa rồi vớt ra lau khô bề mặt mẫu để xác định khối lượng vật liệu ẩm

Để xác định chính xác độ bão hòa nước có thể thí nghiệm lặp đi lặp lại vài lần liên tục

để vật liệu có thể hút nước tối đa

Độ bão hòa nước của vật liệu cũng phụ thuộc vào độ rỗng, đặc tính của lỗ rỗng, bản chất ưa nước hay kỵ nước của vật liệu Độ bão hòa nước là độ hút nước cực đại của vật liệu, tại thời điểm bão hòa nước có thể coi gần đúng rằng toàn bộ lỗ rỗng hở của vật liệu chứa đầy nước Vì vậy thông qua độ bão hòa có thể xác định được tỷ lệ lỗ rỗng hở và lỗ rỗng kín của vật liệu

Khi vật liệu bị bão hòa nước sẽ làm cho thể tích vật liệu và khả năng dẫn nhiệt tăng, nhưng khả năng cách nhiệt và đặc biệt là cường độ chịu lực (độ bền nước) thì giảm đi Do

đó mức độ bền nước của vật liệu được đánh giá bằng hệ số mềm

Hệ số mềm (còn gọi là hệ số bền nước) là tỷ lệ giữa cường độ của mẫu vật liệu khi bão

hoà nước (Rbh) và cường độ của mẫu vật liệu khi khô hoàn toàn (Rk)

Hệ số mềm ký hiệu Km, tính theo công thức:

k

bh m

R

R

Km có thể thay đổi từ 0 (đất sét bị phân rã) đến 1 (kim loại)

Hệ số mềm được dùng để phân loại vật liệu theo tính bền nước; những vật liệu có hệ số mềm Km > 0,75 là vật liệu chịu được nước và có thể dùng cho các công trình thuỷ công, để xây dựng công trình nơi khô ráo chỉ cần vật liệu có Km = 0,1 ÷ 0,15

1.1.2.5 Tính thấm và chống thấm nước

Tính thấm là tính chất của vật liệu cho nước thấm qua chiều dày của nó khi giữa hai bề

mặt đối xứng có sự chênh lệch về áp suất thuỷ tĩnh

Tính thấm nước được đặc trưng bằng hệ số thấm Kth

t)

pp.(

F

a.VK

2 1

n th

Trong đó:

Vn - là thể tích nước thấm qua khối

vật liệu (m3

);

a - chiều dày khối vật liệu (m);

F - diện tích bề mặt chịu thấm của

khối vật liệu (m2);

t - thời gian nước thấm qua khối

vật liệu (giờ);

p1-p2 - độ chênh lệch áp lực thuỷ tĩnh hai mặt tường (mét cột nước)

Về mặt trị số, K th là thể tích nước (m 3 ) thấm qua 1 bức tường có diện tích F = 1 m 2

, chiều dày a = 1 m, sau khoảng thời gian t = 1 h và độ chênh lệch áp lực thuỷ tĩnh (chênh cột nước) hai mặt tường là p 1 - p 2 = 1 m (≈ 9,807 kPa)

Tính chống thấm là khả năng của vật liệu ngăn không cho nước thấm qua chiều dày

của nó khi giữa hai bề mặt đối xứng có sự chênh lệch về áp suất thuỷ tĩnh

Tính chống thấm được biểu thị thông qua mác chống thấm Mác chống thấm được đánh giá bằng áp lực nước lớn nhất mà khi đó nước chưa thấm qua được mẫu vật liệu có kích thước quy định trong một khoảng thời gian quy định

+ Với mẫu thí nghiệm có dạng hình trụ, khối: các mặt bên của mẫu được bọc vật liệu cách nước, trên dưới để trống Áp lực nước ban đầu p o , sau t giờ tăng thêm áp lực nước ∆p nữa cho đến khi xuất hiện vết thấm

+ Với mẫu thí nghiệm hình tròn có chiều dày bằng mẫu chiều dày làm việc Mức nước ban đầu (chiều cao cột nước) là 100 mm được giữ trong 5 phút, sau đó cứ t phút tăng thêm mực nước ∆h cho đến khi xuất hiện vết thấm

Mức độ thấm và khả năng chống thấm của vật liệu phụ thuộc vào cấu tạo bản thân vật liệu (độ đặc, độ rỗng, tính chất lỗ rỗng), bản chất ưa nước hay kỵ nước của vật liệu Sự thấm còn phụ thuộc vào áp lực nước tác dụng lên vật liệu và thời gian thấm

Tính thấm đặc biệt quan trọng đối với vật liệu làm việc trong môi trường chịu ảnh hưởng của mưa gió, thường xuyên ẩm ướt hoặc trong nước (công trình thuỷ công) Khi đó, cần phải đặc trưng bằng mác chống thấm của vật liệu

1.1.2.6 Hiện tượng mao dẫn

Hiện tượng mao dẫn là tính dẫn nước lên cao trong các mao quản của vật liệu

Hiện tượng này xảy ra khi ngâm một phần vật liệu vào nước, chẳng hạn ngâm 1/2 viên gạch vào chậu nước, để một thời gian ta thấy vết ẩm của viên gạch cao hơn mực nước trong chậu, đây là hiện tượng mao dẫn của viên gạch

Hình 1.5 Xác định tính chống thấm

Hiện tượng mao dẫn của nền móng làm cho chân tường bị ẩm ướt, công trình kém bền vững Để khắc phục hiện tượng này, trước khi xây tường nên trát lên bề mặt móng một lớp vữa xi măng mác cao dầy (20 ÷ 30) mm hoặc quét một lớp nhựa đường

1.1.3 CÁC TÍNH CHẤT LIÊN QUAN ĐẾN NHIỆT

1.1.3.1 Tính dẫn nhiệt

Tính dẫn nhiệt của vật liệu là tính chất để cho nhiệt truyền qua từ phía có nhiệt độ cao

sang phía có nhiệt độ thấp (truyền qua từ mặt này sang mặt khác)

Nhiệt lượng truyền qua vật liệu được tính theo công thức:

t - chênh lệch nhiệt độ 2 bên khối vật liệu (°C);

 - thời gian truyền nhiệt (giờ);

 - chiều dày khối vật liệu (m)

 là hệ số dẫn nhiệt, được tính bằng nhiệt lượng Q (kCal) truyền qua một tấm tường có diện tích F = 1 m 2 và dày  = 1 m, trong thời gian  = 1 h, khi chênh lệch nhiệt độ 2 bên tấm tường

.Q

Hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc loại, cấu trúc, độ ẩm và nhiệt độ trung bình của vật liệu + Vật liệu càng rỗng, dẫn nhiệt càng kém (cách nhiệt tốt) do độ dẫn nhiệt của không khí rất bé (kk = 0,02 kCal/m.°C.h) so với độ dẫn nhiệt của vật rắn

14,0.22,00196,

k

+ Khi nhiệt độ bình quân giữa hai mặt tấm tường tăng thì độ dẫn nhiệt cũng lớn Điều

đó thể hiện theo công thức Vlaxôv:

)t0025,01(

0 - hệ số dẫn nhiệt ở 0 °C;

t - hệ số dẫn nhiệt ở nhiệt độ trung bình t °C

Trong thực tế, hệ số dẫn nhiệt được dùng để lựa chọn vật liệu cho các kết cấu bao che, tính toán kết cấu để bảo vệ các thiết bị nhiệt

Giá trị hệ số dẫn nhiệt của một số loại vật liệu thông thường (Bảng 1.2)

Bảng 1.2 Giá trị hệ số dẫn nhiệt của một số loại vật liệu thông thường

Tên vật liệu Hệ số dẫn nhiệt

(kCal/m.°C.h) Tên vật liệu Hệ số dẫn nhiệt

(kCal/m.°C.h)

1.1.3.2 Nhiệt dung và nhiệt dung riêng

Nhiệt dung là nhiệt lượng mà vật liệu thu vào khi được đun nóng

Nhiệt lượng vật liệu thu vào, ký hiệu là Q, xác định theo công thức:

)tt.(

G.C

Trong đó:

C - nhiệt dung riêng của vật liệu (kCal/kg.°C);

t1 - nhiệt độ của vật liệu sau và trước khi nung nóng (°C);

t2 - nhiệt độ của vật liệu sau và trước khi nung nóng (°C)

Nhiệt dung riêng là nhiệt lượng cần để nung nóng 1kg vật liệu tăng thêm 1°C

Nhiệt dung riêng ký hiệu là C, xác định theo công thức:

)tt.(

G

QC

C.W.01,0C

n 1 n 2

1

n n 1 n 1 n 2

2 1 1

GG

GG

C.GC.G

C.GC.GC

G1, G2, - khối lượng vật liệu thành phần thứ 1,2, (kg);

C1, C2, - nhiệt dung riêng của vật liệu thành phần thứ 1,2, (kCal/kg.°C)

Các chỉ tiêu nhiệt dung và nhiệt dung riêng được dùng khi tính toán và lựa chọn phương pháp gia công nhiệt đối với các loại vật liệu xây dựng hoặc khi lựa chọn vật liệu sử dụng trong các trạm nhiệt, lò nung

1.1.3.3 Tính chống cháy

Tính chống cháy là khả năng của vật liệu chịu được tác dụng của ngọn lửa trong một

thời gian nhất định

Dựa vào khả năng chống cháy chia vật liệu làm các nhóm sau:

- Vật liệu không cháy là vật liệu dưới tác dụng của ngọn lửa hay nhiệt độ cao mà không

bị bắt lửa, không cháy âm ỉ và không bị cacbon hóa Các vật liệu trong nhóm khi chịu nhiệt

độ cao có biến dạng không đáng kể như: gạch ngói, bê tông, amiăng

- Vật liệu không cháy nhưng biến hình là vật liệu tuy không bị cháy nhưng khi chịu

nhiệt độ cao thì vật liệu có biến dạng đáng kể như như thép, kim loại

- Vật liệu không cháy nhưng bị phân hủy là vật liệu tuy không bị cháy nhưng khi chịu

nhiệt độ cao thì vật liệu bị phân hủy tạo ra các vật liệu khác như đá vôi, đá vôi dolomit Đây là tính chất quan trọng để tạo ra các loại chất kết dính vô cơ như vôi, xi măng

- Vật liệu khó cháy là vật liệu dưới tác dụng của ngọn lửa hay nhiệt độ cao có thể bị bắt

lửa, cháy âm ỉ hoặc bị cacbon hóa một cách khó khăn, nhưng khi ngừng tác nhân gây cháy thì các hiện tượng trên cũng ngừng lại Thực chất các vật liệu này bản thân nó thì bị cháy nhưng nó được bảo vệ để tạo nên tính khó cháy nhờ lớp chống cháy như: bê tông nhựa, gỗ tẩm chất chống cháy, fibrôlit

- Vật liệu dễ cháy là vật liệu có thể cháy bùng lên dưới tác dụng của ngọn lửa hay nhiệt

độ cao Tất cả vật liệu hữu cơ như gỗ, xăng dầu, đều nằm trong nhóm này nên chúng cần được bảo vệ bằng những vật liệu chống cháy

1.1.3.4 Tính chịu lửa

Tính chịu lửa là khả năng vật liệu chịu đựng được tác dụng lâu dài của nhiệt độ cao mà

không bị chảy và biến hình

Dựa vào khả năng chịu lửa chia vật liệu làm ba nhóm:

- Vật liệu chịu lửa là vật liệu chịu được nhiệt độ trên 1580 °C, chúng được dùng để lót

bên trong các lò nung công nghiệp

- Vật liệu khó chảy là vật liệu chịu được nhiệt độ từ 1350 °C ÷ 1580 °C, đó là những

loại gạch đặc biệt để xây lò và xây ống khói

- Vật liệu dễ chảy là vật liệu chịu được nhiệt độ thấp hơn 1350 °C

1.2 TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU

Tính chất cơ học của vật liệu là tính chất xác định quan hệ của vật liệu với sự biến dạng

và sự phá huỷ nó dưới tác dụng của các tải trọng và tác động từ bên ngoài lên vật liệu Đó

là các tính chất: cường độ, độ cứng, độ dẻo, mài mòn, va chạm

1.2.1 TÍNH BIẾN DẠNG

1.2.1.1 Khái niệm

Tính biến dạng là tính chất của vật liệu bị thay đổi hình dáng và kích thước dưới tác

dụng của tải trọng bên ngoài

Thực chất của biến dạng là khi chịu tác dụng của ngoại lực các phân tử sẽ thay đổi vị trí cân bằng và có chuyển vị tương đối

1.2.1.2 Phân loại biến dạng

a Căn cứ vào khả năng phục hồi biến dạng

- Biến dạng đàn hồi là biến dạng bị triệt tiêu hoàn toàn khi bỏ ngoại lực tác dụng Tính

chất hồi phục về hình dáng và kích thước ban đầu của vật liệu sau khi bỏ ngoại lực gọi là tính đàn hồi

Biến dạng đàn hồi thường xảy ra khi ngoại lực tác dụng chưa vượt quá lực tương tác giữa các chất điểm trong vật liệu Do đó công của ngoại lực sẽ sinh ra nội năng và khi thôi tác dụng lực thì nội năng lại sinh công đưa vật liệu trở về vị trí ban đầu

Tính đàn hồi được đặc trưng bằng mô đun đàn hồi E

σ - ứng suất xuất hiện ở giai đoạn đàn hồi (daN/cm2 hoặc MPa);

ε - biến dạng đàn hồi tương đối (%)

Biến dạng đàn hồi tương đối còn được gọi là độ giãn dài tương đối

%100

Δℓ - biến dạng dài tuyệt đối của thanh vật liệu (m);

ℓ - chiều dài ban đầu của thanh vật liệu (m)

- Biến dạng dẻo (biến dạng dư) là biến dạng không bị triệt tiêu hoàn toàn khi bỏ ngoại

lực tác dụng Tính chất không hồi phục được hình dáng và kích thước ban đầu của vật liệu sau khi bỏ ngoại lực tác dụng gọi là tính dẻo

Biến dạng dẻo xảy ra khi ngoại lực tác dụng đã vượt quá lực tương tác giữa các chất điểm, phá vỡ cấu trúc của vật liệu làm các chất điểm có chuyển dịch tương đối Do đó biến dạng dẻo sẽ còn tồn tại khi loại bỏ tác dụng của ngoại lực Biến dạng dẻo xảy ra làm cho khoảng cách giữa các phân tử bị thay đổi

b Căn cứ vào thời điểm xuất hiện biến dạng

- Biến dạng tức thời là biến dạng xuất hiện ngay sau khi đặt lực tác dụng

- Biến dạng theo thời gian là biến dạng chỉ xuất hiện sau một thời gian đặt lực

+ Hiện tượng từ biến là hiện tượng biến dạng của vật liệu tăng theo thời gian khi ngoại

lực không đổi tác dụng lâu dài lên vật rắn

Nguyên nhân của hiện tượng từ biến là do trong vật liệu rắn có một số bộ phận phi tinh thể có tính chảy nhớt gần giống như thể lỏng Mặt khác, do bản thân cấu tạo của vật liệu có một số thiếu sót, khuyết tật về mặt cấu trúc hoặc do vật liệu thay đổi cấu trúc theo thời gian nên dưới tác dụng lâu dài của ngoại lực nó bị chảy nhớt ra

+ Hiện tượng chùng ứng suất là hiện tượng ứng suất đàn hồi giảm dần theo thời gian

khi giữ cho biến dạng không đổi

Nguyên nhân do tác dụng lâu dài của tải trọng, một phần năng lượng gây biến dạng đàn hồi bị mất đi dưới dạng phân tán nhiệt làm cho một bộ phận vật liệu có biến dạng đàn hồi dần dần chuyển sang biến dạng dẻo

1.2.1.3 Phân loại vật liệu theo biến dạng

Căn cứ vào quan hệ giữa ứng suất và biến dạng, hay nói cách khác căn cứ vào hiện tượng biến dạng tới trước khi bị phá hoại, chia vật liệu thành 3 loại:

a) Thép b) Bê tông c) Chất đàn hồi

Hình 1.6 Sơ đồ biến dạng

- Vật liệu có tính dẻo là vật liệu mà từ khi đặt lực cho đến trước khi bị phá hoại quan sát

được biến dạng dẻo rất rõ ràng VD: thép ít cacbon, bitum

- Vật liệu có tính giòn là vật liệu mà từ khi đặt lực cho đến trước khi bị phá hoại không

quan sát thấy biến dạng một cách rõ ràng VD: gang, đá thiên nhiên, bê tông, gạch

- Vật liệu có tính đàn hồi là vật liệu mà khả năng biến dạng đàn hồi lớn hơn khả năng

Cường độ của vật liệu là khả năng của vật liệu chống lại sự phá hoại của ứng suất xuất

hiện trong vật liệu do ngoại lực tác dụng hoặc do điều kiện môi trường

Cường độ của vật liệu được ký hiệu là R, đơn vị MPa (hoặc N/mm2

hoặc daN/cm2) và được biểu thị bằng ứng suất tới hạn trước khi mẫu vật liệu bị phá hoại

Kết cấu xây dựng chịu nhiều loại tải trọng tác dụng khác nhau như kéo, nén, uốn, cắt, trượt, sự thay đổi nhiệt độ, áp suất do đó có nhiều loại cường độ khác nhau

- Cường độ tiêu chuẩn là cường độ của vật liệu khi mẫu vật liệu có hình dáng kích

thước chuẩn, được chế tạo, bảo dưỡng trong điều kiện tiêu chuẩn và thí nghiệm theo phương pháp tiêu chuẩn được quy định riêng cho từng vật liệu Ký hiệu Rtc

- Mác vật liệu: đối với những vật liệu mà cường độ là chỉ tiêu quan trọng nhất để đánh

giá chất lượng thì dựa vào cường độ tiêu chuẩn người ta định ra mác của vật liệu xây dựng Mác của vật liệu là đại lượng có đơn vị tính tiêu chuẩn đã được quy định trong các tiêu chuẩn, vì vậy khi nói mác vật liệu thường không cần nói đến thứ nguyên của nó Việc xác định mác của vật liệu giòn dựa vào cường độ chịu nén, còn mác của vật liệu dẻo dựa vào cường độ chịu kéo

Ví dụ: Bê tông xi măng có mác M10; M12,5; M15; M20; tương ứng cường độ chịu nén của bê tông ở 28 ngày tuổi đạt giá trị tối thiểu là 10; 12,5; 15; 20, (N/mm 2

)

Xi măng pooclăng hỗn hợp PCB30, PCB40, tương ứng cường độ chịu nén của đá xi măng ở

28 ngày tuổi đạt giá trị tối thiểu là 30, 40, (N/mm 2

)

- Cường độ tính toán: Trong tính toán thiết kế công trình để đảm bảo an toàn, loại trừ

các sai số do thực tế vật liệu làm việc trong những điều kiện khác với điều kiện tiêu chuẩn trong các thí nghiệm, chỉ được phép sử dụng cường độ tính toán (Rtt) có trị số nhỏ hơn cường độ giới hạn của vật liệu theo thí nghiệm là (Rgh)

K/R

Hệ số K > 1 được gọi là hệ số an toàn, K càng lớn công trình càng bền vững song chi

phí xây dựng càng tốn kém Lựa chọn K tuỳ thuộc vào mức độ chính xác trong tính toán, trình độ nắm chắc tính chất của vật liệu, mức độ thành thạo trong thi công, yêu cầu tuổi thọ công trình

- Hệ số phẩm chất là đại lượng dùng để đánh giá chất lượng vật liệu dùng cho công

trình khẩu độ lớn, chịu lực lớn, tháo lắp cơ động, Hệ số phẩm chất đặc trưng bằng tỷ số giữa cường độ tiêu chuẩn và khối lượng thể tích tiêu chuẩn

tc o tc

Vật liệu có hệ số phẩm chất càng lớn thì kết cấu xây dựng càng nhẹ và chịu lực càng tốt

1.2.2.2 Phương pháp xác định cường độ

a Phương pháp phá hoại mẫu thí nghiệm (Phương pháp trực tiếp)

Cường độ có thể xác định bằng phương pháp phá hoại mẫu Theo phương pháp này, dùng các mẫu thí nghiệm đã được gia công theo tiêu chuẩn lên máy gia tải và tiến hành gia tăng tải trọng cho đến khi mẫu thí nghiệm bị phá hoại

Phương pháp này phù hợp

khi thí nghiệm trong phòng thí

nghiệm trên các mẫu vật liệu

được lựa chọn theo yêu cầu

quy phạm hoặc chế tạo theo

điều kiện thi công (mẫu bê

tông xi măng, bê tông nhựa,

vữa, ) hoặc lấy trực tiếp từ

một số vị trí cho phép của

công trình

b Phương pháp không

phá hoại mẫu thí nghiệm

(Phương pháp gián tiếp)

Bên cạnh phương pháp phá

hoại mẫu thí nghiệm, do yêu

cầu thực tế và đặc biệt khi cần

kiểm tra cường độ của vật liệu đang trong các công trình xây dựng (kiểm định chất lượng

công trình xây dựng) người ta còn sử dụng Phương pháp không phá hoại là phương pháp

xác định cường độ vật liệu mà không cho phép sự phá hoại mẫu thử Dựa trên nguyên tắc xác định, phương pháp không phá hoại chia thành 2 nhóm:

Hình 1.7 Máy xác định cường độ chịu nén

Hình 1.8 Máy xác định cường

độ chịu uốn

- Nhóm theo nguyên tắc cơ học: Tác dụng tải trọng sâu vào bề mặt vật liệu rồi đo trị số biến dạng dẻo, thông số đo là độ cứng hay biến dạng cục bộ (búa bi, búa có thanh chuẩn) hoặc tác dụng tải trọng va chạm vào bề mặt vật liệu, dựa vào nguyên tắc nẩy bật đàn tính ra khỏi bề mặt vật liệu, thông số đo là trị số bật nẩy do phản lực từ mặt vật liệu tạo ra khi có tác động cơ học (súng bật nẩy - Hình 1.9) Đem các thông số đo được đối chiếu với các đồ thị chuẩn tương ứng của dụng cụ để suy ra cường độ của vật liệu

Hình 1.9 Súng bật nẩy xác định

cường độ chịu nén của bê tông Hình 1.10 Thiết bị xác định vận tốc siêu âm

- Nhóm theo nguyên tắc vật lý: Dựa vào quy luật lan truyền của xung điện, tia phóng xạ hay sóng siêu âm khi đi qua vật liệu để xác định mật độ, tần số dao động riêng hay vận tốc truyền sóng Đem đối chiếu các thông số đo với các đồ thị chuẩn để xác định cường độ của vật liệu Dụng cụ đo là các máy siêu âm (Hình 1.10) bê tông, thép

Các phương pháp không phá hoại rất tiện lợi song mức độ chính xác phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố do đó không thể thay thế hoàn toàn phương pháp phá hoại mẫu được Các biểu đồ chuẩn của phương pháp không phá hoại được xây dựng trên cơ sở của phương pháp phá hoại mẫu

1.2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ vật liệu

Cường độ của vật liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Thành phần cấu trúc vật liệu, hình dạng kích thước mẫu thí nghiệm, phương pháp thí nghiệm, điều kiện môi trường,

a Yếu tố liên quan đến cấu tạo của vật liệu

- Vật liệu có cấu trúc kết tinh hoàn thiện có cường độ cao hơn vật liệu có cấu trúc kết tinh không hoàn thiện

- Vật liệu có kiến trúc kết tinh hạt mịn có cường độ cao hơn vật liệu có kiến trúc kết tinh hạt thô

- Vật liệu có cấu tạo dạng lớp hoặc sợi, thành phần cấu tạo phân bố theo một chiều nhất định nên cường độ theo mỗi hướng khác nhau (tính dị hướng)

- Vật liệu có cấu tạo rỗng có cường độ thấp hơn vật liệu đặc chắc vì nó có độ rỗng nên lực liên kết giữa các chất điểm yếu, diện tích chịu lực giảm, ứng suất tập trung ở gần lỗ rỗng, nên khả năng chịu lực kém

b Yếu tố liên quan đến điều kiện thí nghiệm

- Hình dáng và kích thước mẫu: mẫu vật liệu có hình dạng, kích thước khác nhau thì trị

số đo cường độ cũng khác nhau Ví dụ trong thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của vật liệu, khi hình dạng mẫu thí nghiệm khác nhau thì kết quả thí nghiệm khác nhau Ngay

cả khi mẫu thí nghiệm có hình dạng giống nhau thì mẫu kích thước nhỏ có cường độ lớn hơn Điều này được giải thích là khi nén tại mặt tiếp xúc giữa mẫu thí nghiệm và mâm nén

có xuất hiện lực ma sát hạn chế sự phá hoại theo phương ngang Mẫu càng lớn, tác dụng hạn chế phá hoại theo phương ngang của lực ma sát càng nhỏ và khả năng đồng nhất trong cấu trúc của mẫu vật liệu càng khó đảm bảo khiến cường độ thí nghiệm càng thấp

- Đặc trưng bề mặt mẫu thí nghiệm cũng ảnh hưởng lớn đến kết quả thí nghiệm Khi bôi trơn bề mặt tiếp xúc mâm nén và mẫu thí nghiệm (giảm lực ma sát) thì cường độ mẫu giảm (có thể giảm tới 50%)

- Tốc độ tăng tải cũng có ảnh hưởng đến cường độ mẫu thí nghiệm, nếu tốc độ tăng tải nhanh hơn tiêu chuẩn thì kết quả thí nghiệm sẽ bị giảm đi vì biến dạng dẻo không tăng kịp với sự tăng tải trọng Tốc độ tăng tải càng lớn mẫu thí nghiệm bị phá hoại càng sớm

- Nhiệt độ và độ ẩm của môi trường có ảnh hưởng đến cường độ Một số loại vật liệu chịu ảnh hưởng rất lớn của độ ẩm và nhiệt độ đến cường độ

Ví dụ: đất sét khô thì cứng, cường độ tương đối cao nhưng khi đất sét ngậm nước có thể ở dạng bùn nhão và hầu như không còn khả năng chịu lực

Để khắc phục các yếu tố ảnh hưởng này, phải có các quy định về hình dạng, kích thước, điều kiện chế tạo và bảo dưỡng mẫu thí nghiệm và phương pháp thí nghiệm tiêu chuẩn cho từng loại vật liệu Các quy định này được đề cập đến trong các Tiêu chuẩn thí nghiệm vật liệu Mặt khác, vì vật liệu có cấu tạo không đồng nhất nên cường độ của nó được xác định bằng cường độ trung bình của một nhóm mẫu (thường không ít hơn 3 mẫu) Trong một số trường hợp đặc biệt, Tiêu chuẩn cho phép xác định ở một vài điều kiện khác nhau nhưng kết quả xác định phải có sự hiệu chỉnh về theo một điều kiện chuẩn

Ví dụ: khi xác định cường độ bê tông xi măng, có thể tiến hành trên mẫu thí nghiệm là khối lập phương có cạnh a = 100, 150, 200 (mm) hoặc trên mẫu hình trụ tròn có đường kính d = 100,

150, 200 (mm) và chiều cao h = 2d, nhưng kết quả đều phải quy đổi về kết quả trên mẫu thí nghiệm tiêu chuẩn là khối lập phương có cạnh a = 150 mm

Hình dạng, kích thước mẫu và công thức tính khi xác định cường độ chịu lực của một số loại vật liệu được mô tả trong Bảng 1.3

Bảng 1.3 Hình dạng kích thước một số mẫu thí nghiệm tiêu chuẩn

Hình dạng mẫu Công thức Vật liệu Tiêu chuẩn xác định Kích thước mẫu (mm)

CƯỜNG ĐỘ CHỊU NÉN

2 na

P

R 

Bê tông TCVN 3118:1993 a = 150 (100, 200) Vữa XD TCVN 3121-11:2003 a = 70,7

Đá thiên nhiên TCVN 7572-10:2006 a = 40 ÷ 50

2 nd

P4R

2 u

bh2

P3

Hình hộp chữ nhật

40 × 40 × 160 Gạch đặc TCVN 6355-2:1998 Hình hộp chữ nhật

220 × 105 × 60

2 ubh

P4R



kính d

1.2.3 ĐỘ CỨNG

1.2.3.1 Khái niệm

Độ cứng của vật liệu là khả năng vật liệu chống lại được sự đâm xuyên của vật liệu

khác cứng hơn nó

Độ cứng của vật liệu là tính chất quan trọng với vật liệu làm đường, trụ cầu, lát sàn,

Độ cứng của vật liệu ảnh hưởng đến một số tính chất khác của vật liệu, vật liệu càng cứng thì khả năng chống cọ mòn tốt nhưng khó gia công và ngược lại

1.2.3.2 Cách xác định

a Phương pháp thang Mohs

Để so sánh độ cứng của khoáng vật, thường dùng thang độ cứng tương đối do Friedrich Mohs (người Đức) đưa ra vào năm 1812 Khoáng vật được chia ra làm 10 thang độ cứng tương đối tăng dần từ 1 ÷ 10 (Bảng 1.4) Trong thang độ cứng, đầu nhọn của khoáng vật đứng sau có thể rạch được tất cả khoáng vật đứng trước nó

Bảng 1.4 Thang độ cứng Friedrich Mohs

Độ cứng tương

đối (tuyệt đối) Tên và công thức của khoáng vật mẫu Đặc điểm độ cứng

1 (1) Tan (phấn) Mg 3 (Si 4 O 10 )(OH) 2 Rạch dễ dàng bằng móng tay

2 (2) Thạch cao CaSO 4 2H 2 O Rạch được bằng móng tay

4 (21) Fluorit CaF 2 Rạch bằng dao thép khi ấn nhẹ

5 (48) Apatit Ca 5 (PO 4 ) 3 F Rạch bằng dao thép khi ấn mạnh

6 (72) Octocla K(AlSi 3 O 8 ) Làm xước kính

7 (100) Thạch anh SiO 2 Rạch được kính theo mức độ tăng dần

8 (200) Topa Al 2 (SiO 4 )(F,OH) 2

Ðộ cứng của khoáng vật xác định được là độ cứng tương đối, chỉ mang ý nghĩa định tính thể hiện chúng hơn kém nhau về độ cứng, không có ý nghĩa định lượng chính xác