Giao trinh bai tap tài liệu tham khảo bài giảng chương 4

Hồ Chı ́Minh VLXD-Tính chất cơ lý 1-2 Các tính chất cơ lý VLXD Ảnh hưởng của cấu trúc và thành phần đến tính chất của vật liệu Khối lượng riêng, khối lượng thể tích, khối lượng thể

Vật Liệu Xây Dựng

(Construction Materials)

Bộ môn Vật liệu Silicat

Khoa Công Nghệ Vật Liệu

Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chı ́Minh

VLXD-Tính chất cơ lý 1-2

Các tính chất cơ lý VLXD

Ảnh hưởng của cấu trúc và thành phần đến tính chất của vật liệu

Khối lượng riêng, khối lượng thể tích, khối lượng thể tích đổ đống, độ rỗng, độ hổng giữa các hạt vật liệu rời, thành phần hạt…

Các tính chất trong môi trường nước: độ hút nước, độ bão hòa nước, tính thấm nước và độ biến dạng ẩm

Các tính chất nhiệt (biến dạng nhiệt, tính dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, tính chống cháy và chịu lửa)

Các tính chất cơ (biến dạng, cường độ, độ mài mòn)

Hướng tiếp cận

Từ bên ngoài: tuỳ theo công năng khi làm việc

dụng, sóng, động đất, băng tuyết, sóng thần )

biển, sinh vật biển, nước mưa )

Từ bên trong:

Ảnh hưởng cấu trúc

Gồm các dạng, số lượng, hình dáng, kích thước

và sự phân bố các pha ở trạng thái rắn

Cấu trúc vĩ mô (macrostructure): thô, quan sát được bằng mắt thường, giới hạn đến 200µm

Cấu trúc vi mô (microstructure): kính hiển vi x105

VLXD-Tính chất cơ lý 1-5

Ảnh hưởng cấu trúc

Cấu trúc vĩ mô (macrostructure): là thuật ngữ

dùng để chỉ cấu trúc thô, có thể quan sát được

bằng mắt thường, giới hạn đến 200µm

Cấu trúc vi mô (microstructure): quan sát bằng

các loại kính hiển vi, giới hạn đến độ phóng đại

105lần

→Tính chất của vật liệu phụ thuộc vào cấu trúc

vĩ mô, cấu trúc vi mô

VLXD-Tính chất cơ lý 1-6

Khối lượng riêng (g/cm3, t/m3)

Khối lượng riêng là khối lượng (m) trên của một đơn vị thể tích vật liệu ở trạng thái đặc hoàn toàn (Va)

Ý nghĩa: để xác định bản chất của vật liệu, độ rỗng, phân biệt và tính toán phối liệu

• Mẫu bột : sử dụng bình tỷ trọng để xác định khối lượng riêng của vật liệu thông qua thể tích bị chiếm chỗ bởi chất lỏng (trơ)

• Mẫu có hình dạng: cân khối lượng và đo kích thước

a

a

V

m

=

γ - m : khối lượng cân khô vật liệu- V

a: thể tích đặc tuyệt đối của

vật liệu không tính lỗ rỗng

VLXD-Tính chất cơ lý 1-7

Dụng cụ xác định

VLXD-Tính chất cơ lý 1-8

Khối lượng riêng (g/cm3, t/m3)

Ảnh hưởng của khối lượng riêng đến tính chất của vật liệu.

•Không ảnh hưởng nhiều đến cơ tính của vật liệu như: độ bền, độ hút nước, …

•Ảnh hưởng đến các tính chất như: khả năng chịu nhiệt, độ cứng, khả năng ăn mòn hóa học…

Các yếu tố ảnh hưởng đến khối lượng riêng

•Thành phần hóa của vật liệu

•Điều kiện thí nghiệm?

VLXD-Tính chất cơ lý 1-9

Khối lượng thể tích là khối lượng (m) của một đơn

vị thể tích của vật liệu ở trạng thái tự nhiên bao

gồm cả lỗ rỗng (V0)

Đối với vật liệu hoàn toàn đặc KLTT ≈ KLR

Phương pháp xác định;

• Cân và đo với vật liệu có kích thước hình học rõ ràng

• Bọc mẫu bằng parafin, cân trong chất lỏng tìm thể tích chất

lỏng dời chỗ Áp dụng cho mẫu có hình dáng bất kỳ

• Dùng dụng cụ có dung tích để xác định đối với vật liệu dạng

rời rạc.

0 0

V

m

=

γ

- m; khối lượng tự nhiên của vật liệu

- V0; thể tích của vật liệu bao gồm

cả lỗ rỗng (tự nhiên)

VLXD-Tính chất cơ lý 1-10

Khối lượng thể tích của một số loại vật liệu xây dựng

1600 – 1900

1800 – 2500

<1800

2500 - 2700

Gạch đất sét

Bê tông thường

Bê tông nhẹ

Đá hoa cương

7850

1150 – 1400

1400 -1650

1400 – 1700

200 - 300

Thép

Xi măng Cát

Đá (sỏi) Sợi khoáng

(kg/m 3 ) Vật liệu

(kg/m 3 ) Vật liệu

Ý nghĩa của khối lượng thể tích

• Dự đoán được độ bền cơ học của vật liệu.

• Đánh giá được khả năng cách nhiệt, độ ẩm, độ rỗng, độ đặc

• Sử dụng trong tính toán các kết cấu, tính ổn định, vận chuyển

Khối lượng thể tı́ch đổ đống

Áp dụng với các vật liệu rời như cát, đá, ximăng…

là khối lượng (m) của một đơn vị thể tích của các

hạt vật liệu đổ đống bao gồm độ rỗng của các hạt

và độ rỗng giữa các hạt (Vx)

Thường được xác định ở trạng thái tự nhiên hay

lèn chặt Ứng dụng trong tính toán vận chuyển, kho

X X

V

m

=

γ - m; khối lượng tự nhiên vật liệu

- Vx: thể tích của vật liệu bao gồm

cả lỗ trống các hạt

Độ rỗng

Độrỗng của vật liệu là tỉ lệ phần trăm thể tích pha không phải là rắn (khí, lỏng) / thể tích tự nhiên của khối vật liệu Thường tính bằng

Một số phương pháp xác định độ rỗng: đo trực tiếp, bay hơi nước, hấp thụ khí, quang học chụp ảnh, xâm nhập thủy ngân…

) 1 (

0

<

V

V

a

r

γ

γ 0

1 −

=

VLXD-Tính chất cơ lý 1-13

Độ rỗng

Độrỗng là chỉ tiêu quan trọng, ảnh hưởng đến

những tính chất khác của vật liệu như khối lượng

thể tích, cường độ, độ hút nước, hệ số truyền nhiệt

• VL có độ rỗng nhỏ có cường độ cao và độ thấm nước nhỏ

• VL có độ rỗng cao lại có độ cách nhiệt cao.

Xu hướng chọn những loại vật liệu có độ rỗng

nhưng cường độ cao, bền

Ý nghĩa của xác định độ rỗng của vật liệu;

• Mức độ kết khối các vật liệu nung

• Dự đoán một số tính chất của vật liệu

• Lựa chọn môi trường sử dụng hợp lý.

VLXD-Tính chất cơ lý 1-14

Độ đặc

Ngược với độ rỗng

Độ đặc luôn luôn nhỏ hơn 1 và tùy thuộc vào độ rỗng của vật liệu Vật liệu xốp d = 0,20 ~ 0,30%

) 1 (

0

<

V

V

a

d

γ

γ 0

=

VLXD-Tính chất cơ lý 1-15

Độ hút nước

Độhút nước là khả năng hút và giữ nước trong các

lỗ rỗng của vật liệu dưới áp lực thường (tự nhiên)

Độhút nước biểu diễn theo khối lượng (Hp) và

theo thể tích (Hv)

Mối quan hệ giữa Hp và Hv

% 100

1

m

m m

0

1− ×

=

V

m m H

n v

ρ

và

0

.γ

ρn

p

v

H

Trong đó:

- m1: khối lượng mẫu đã ngậm nước.

- m: khối lượng mẫu ban đầu, sấy khô

- V0: thể tích tự nhiên của mẫu

VLXD-Tính chất cơ lý 1-16

Độ hút nước

Hv luôn luôn < 100%; Hp có thể > 100% đối với vật liệu rất rỗng và rất nhẹ

Độhút nước phụ thuộc độ rỗng và đặc điểm lỗ rỗng của vật liệu, bản chất vì vậy có thể dùng Hp

và Hv để đánh giá độ truyền nhiệt, độ thấm và những tính chất khác cường độ, KLTT của vật liệu

• Ví dụ: Gạch đất sét tốt Hp = 8-20%

• Gạch đất sét xấu Hp = 25-30%

• Bê tông nặng Hp = 3%.

Ý nghĩa:

• Xác định gián tiếp độ rỗng của vật liệu.

• Đánh giá khả năng sử dụng vật liệu trong môi trường nước

VLXD-Tính chất cơ lý 1-17

Độ hút nước bão hòa

Là độ hút nước tối đa của vật liệu trong một điều

kiện thí nghiệm nhất định (ở 20mmHg hoặc đun

sôi) Được đánh giá bằng hệ số bão hòa nước Cbh

hay tỉ số % thể tích nước chứa trong vật liệu ở

trạng thái bão hòa với thể tích rỗng của vật liệu

Cbhmax= 1 Khi Cbhtăng lượng nước vào lỗ rỗng

của vật liệu càng nhiều Vật liệu càng bão hòa

nước, KLTT, thể tích, hệ số truyền nhiệt càng tăng

nhưng cường độ sẽ giảm mạnh

r

n bh v bh

V

V C

r

H

VLXD-Tính chất cơ lý 1-18

Độ hút nước bão hòa

Phương pháp 1:

• Sấy khô mẫu thí nghiệm, cân m.

• Đun trong nước sôi, để nguội

• Cân m1, tính tóan theo công thức độ hút nước trên

Phương pháp 2:

• Ngâm mẫu trong bình nước có nắp đậy kín

• Hạ áp suất xuống 20mmHg, rút chân không

• Giữ ở áp suất này đến khi không còn bọt khí thoát ra nữa

• Đưa về áp suất bình thường 760mmHg

• Giữ sau 2 giờ, vớt mẫu, cân và tính kết qủa

Hệ số mềm

Ởtrạng thái bão hòa nước, độ bền của VL giảm

Để đánh giá chất lượng của vật liệu trong môi

trường nước người ta dùng hệ số mềm

Hệ số mềm Km: là hệ số giảm cường độ của vật

liệu khi bão hòa nước

• Km≥ 0,75: Vật liệu bền nước (thép, kính)

• Km< 0,75: Vật liệu kém bền nước, không nên sử dụng

trong điều kiện tác dụng của nước (đất sét không nung)

K

MBH

m

R

R

Trong đó:

- RMBH: Cường độ mẫu ở trạng thái bão hòa

- RK: Cường độ mẫu khô

Độ ẩm tự nhiên

Độ ẩm là tỉ lệ phần trăm lượng nước có thật nằm trong vật liệu Độ ẩm phụ thuộc vào môi trường khô

ẩm xung quanh

• Độ ẩm tương đối

• Độ ẩm tuyệt đối

Độ ẩm thay đổi theo môi trường, khi độ ẩm tăng hay giảm làm cho thể tích vật liệu tăng và giảm theo, gây hiện tượng co nở thể tích, sinh ra nội ứng suất phá hủy cấu trúc của vật liệu

Phụ thuộc vật liệu, phương biến dạng Ví dụ: Gỗ có

độnở dọc thớ 1% và độ nở ngang thớ 3-10%

m

m m

=

2

2

m

m m

=

VLXD-Tính chất cơ lý 1-21

Tính thấm

Là tính chất để cho nước thấm qua khi có sự

chênh lệch áp lực nước thủy tĩnh

Đặc trưng của tính thấm nước bằng hệ số thấm Kth

t p

p

S

a

V

th

)

(

2

1−

=

Trong đó

- Vn: thể tích nước thấm qua, m 3

- a: Chiều dày mẫu, m

- S: diện tích của mẫu, m 2

- (p1-p2): chênh áp suất thủy tĩnh ở hai mặt,

m H2O

- t: thời gian, h

VLXD-Tính chất cơ lý 1-22

Tính dẫn nhiệt

Là tính chất của vật liệu để cho nhiệt truyền qua từ phía có nhiệt độ cao sang phía có nhiệt độ thấp, tức có gradient nhiệt độ (∇T)

Đặc trưng của tính dẫn nhiệt là hệ số dẫn nhiệt

Mối liên hệ giữa hệ số dẫn nhiệt với khối lượng thể tích, nhiệt độ :

Hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc rất lớn vào bản chất của vật liệu

14 0 22 0 0196

= λ

) 200 0

)(

002 , 0 1

λ

VLXD-Tính chất cơ lý 1-23

Sili

es d e c

ium 50

0kg /m

3

λ(Wm -1 K -1 ) vs T(°C)

Gạch cá

ch nhi

ch nhiệ

t 400kg/m3

t 400kg /m3

Tấm

m

m mú

t thủy t

inh 14

5kg/m

3

y tinh

145k

g/m3

Silicate c

alcium

200kg

/m3

Silicate c

alcium

200kg

/m3

M ú t polyurethan

e 32kg/m

3

t polyurethan

e 32kg/m

3

Sợi a lumine 0kg/m 3

i alum ine 0kg/m 3

Sợi k

áng

100 /m3

ng 1 00 /m3

Bê-tông cốt liệu đá calcite (EC)

Silicate

calcium

500kg/m

3

Silicate

calcium

500kg/m

3

VLXD-Tính chất cơ lý 1-24

Nhiệt dung riêng hay tỉ nhiệt

Nhiệt dung riêng là nhiệt lượng cần cung cấp cho 1kg vật liệu tăng lên 10C

Nhiệt dung riêng phụ thuộc vào bản chất của vật liệu và độ ẩm

• Nhiệt dung riêng của VL hữu cơ lớn hơn VL khoáng,

• Chênh lệch nhiệt dung riêng chất rắn và khí không đáng kể,

• Nhiệt dung riêng pha lỏng lớn hơn nhiều so với hai pha kia.

Ví dụ: Tỉ nhiệt của một số loại vật liệu thông dụng

• Đá thiên nhiên, nhân tạo: C=0,18 – 0,22 kCal/kg 0 C

• Gỗ: C=0,57 – 0,65 kCal / kg 0 C

• Thép: C=0,115 kCal / kg 0 C

• Nước: C=1,00 kCal / kg 0 C

VLXD-Tính chất cơ lý 1-25

Nhiệt dung, nhiệt dung riêng

Nhiệt dung của một khối vật liệu G hấp thụ để tăng

nhiệt độ từ t1 đến t2 là:

Q = C.G.(t2-t1) (kCal)

Sự phụ thuộc của nhiệt dung riêng của vật liệu phụ

thuộc vào độ ẩm:

Xác định giá trị nhiệt dung riêng của vật liệu:

• Bằng các phân tích DSC, DTA,

• Bằng tính toán khi biết các thành phần hỗn hợp.

W

WC C

W

01 , 0 1

01 , 0 +

+

=

n

n n m m

m

C m C

m C m C

+ + +

+ + +

=

2 1

2 2 1 1

VLXD-Tính chất cơ lý 1-26

Cp(kJkg-1K-1) vs T(°C)

Bê-tông cốt liệu đá calcite (EC)

Tính chống cháy, chịu lửa

Tính chống cháy là khả năng của vật liệu chịu

được tác dụng của ngọn lửa trong một khoảng

thời gian nhất định

Phân loại:

lửa ở nhiệt độ cao nhưng có thể bị phá hủy hoặc bị

ngọn lửa hay nhiệt độ cao nhưng khi ngừng tác nhân

gây cháy thì vật liệu cũng ngừng cháy.

dụng của nhiệt độ cao.

Chuyển hoá thành phần

30 – 105 0 C: bay hơi ẩm.

110 – 170 0 C: sự phân huỷ của thạch cao (quá trình thu nhiệt)

180 – 300 0 C: sự mất nước do phân huỷ CSH và CAH

450 – 550 0 C: mất nước của canxi hydroxit.

700 – 900 0 C: phân huỷ của canxi cacbonat của xi-măng và một số loại cốt liệu giàu calcite.

Trên 1000 0 C: phá hoại cấu trúc Một số thành phần bắt đầu có hiện tượng chuyển pha lỏng.

Nguồn : A.M.Neville, Properties of Concrete, Longman Scientific & Technical

VLXD-Tính chất cơ lý 1-29

Tính chống cháy, chịu lửa

Tính chịu lửa: Là khả năng chịu được tác dụng lâu

dài của nhiệt độ cao mà không bị biến dạng và bị

chảy

Có 3 nhóm vật liệu:

• Vật liệu chịu lửa: chịu tác dụng t°> 1580°C Gạch samốt.

• Vật liệu khó chảy: chịu tác dụng t°∈ [1350 - 1580°C].

• Vật liệu dễ chảy: Độ chịu lửa < 1350°C Gạch đất sét

Vật liệu chịu lửa được sử dụng để xây các bộ phận

tiếp xúc với lửa như buồng đốt, ống khói, và

những bộ phận phải chịu lực ở nhiệt độ cao thường

xuyên

VLXD-Tính chất cơ lý 1-30

Các tính chất cơ học

Tính chất cơ học của vật liệu là tính biến hình và khả năng chống lại sự phá hoại khi có ngoại lực tác dụng

Tính biến dạng

Cường độ chi ̣u lực

VLXD-Tính chất cơ lý 1-31

Tính biến dạng

Là tính thay đổi hình

dáng và biến đổi thể tích

của vật liệu khi có ngoại

lực tác dụng

Bản chất là do ngoại lực

tác dụng làm thay đổi

hay phá hoại vị trí cân

bằng giữa các phân tử

bên trong của vật liệu

làm cho chúng có sự

chuyển vị tương đối

VLXD-Tính chất cơ lý 1-32

Tính biến dạng đàn hồi

Vật liệu bị biến dạng khi chịu tác dụng của ngoại lực và khi không còn tác dụng của ngoại lực nữa thi nó trở lại hình dáng ban đầu Tính chất phục hồi này gọi là tính đàn hồi gồm 2 giai đoạn

• Gđ1: Khi ngoại lực gây biến dạng nhỏ hơn lực liên kết trong bản thân vật liệu, nó sẽ gây biến dạng đàn hồi Công do ngoại lực sinh ra sẽ biến thành nội năng của vật liệu, đó chính là năng lượng đàn hồi.

• Gđ2: Khi bỏ tác dụng của ngoại lực, năng lượng đàn hồi sẽ chuyển lại thành công để dịch chuyển các chất điểm về vị trí cân bằng làm cho biến dạng triệt tiêu

VLXD-Tính chất cơ lý 1-33

Tính biến dạng dẻo

Là biến dạng không phục hồi của khối vật liệu dưới

tác dụng của ngoại lực

Biến dạng dẻo xuất hiện khi ngoại lực tác dụng lớn

hơn lực liên kết giữa các chất điểm Lúc này ngoại

lực sinh ra không biến hết thành nội năng và đồng

thời gây lực phá hoại mối liên kết giữa các chất

điểm trong cấu trúc vật liệu, làm cho biến dạng

không thể triệt tiêu,

Hiện tượng biến dạng trước khi phá hoại, phân biệt

• vật liệu thuộc loại dẻo: thép ít carbon.

• hay vật liệu dòn: bê-tông, gang

VLXD-Tính chất cơ lý 1-34

Tính biến dạng của vật liệu phụ thuộc vào

Thành phần và cấu trúc của vật liệu→ thể hiện ở modul đàn hồi E

Nhiệt độ

Tốc độ tăng áp lực

Tính biến dạng khác

Hiện tượng từ biến là hiện tượng biến dạng tăng

dần theo thời gian khi ngoại lực không đổi tác dụng

lâu dài lên vật liệu rắn Ở nhiệt độ cao vật liệu có

hiện tượng từ biến rất rõ rệt

Hiện tượng chùng ứng suất hay đàn hồi giảm là

dưới tác dụng của ngoại lực, giữ cho biến dạng

không đổi và ứng suất đàn hồi vật liệu giảm dần

theo thời gian

Ảnh hưởng trực tiếp đến tính bền sử dụng

Cường độ chi ̣u lực

Cường độ là khả năng chịu lực của vật liệu chống lại sự phá hoại khi có tác dụng của ngoại lực (như tải trọng, nhiệt độ, gió, thay đổi thời tiết, )

Cường độ của vật liệu phụ thuộc vào thành phần cấu tạo, độ đồng nhất của cấu trúc, loại vật liệu,

Cường độ của vật liệu được biểu thị bằng cường

độchịu nén giới hạn Rn, chịu uốn Ru, chịu kéo Rk, sức chịu cắt Rc, của vật liệu

Những giá trị này tương ứng với ứng suất khi mẫu

bị phá hoại, tức là trạng thái ở đó vết nứt bắt đầu xuất hiện

VLXD-Tính chất cơ lý 1-37

Cường độ chi ̣u nén, kéo, cắt

Là tỉ số giữa lực phá hoại P tác dụng lên mẫu khi

nén, kéo, cắt với tiết diện F ban đầu của mẫu vật

liệu

Pp phá hủy mẫu: mẫu được gia tăng lực cho đến

khi mẫu bị phá hoại (xuất hiện các vết nứt, bị tách

lớp hay biến hình…)

Pp không phá hủy mẫu: sử dụng súng bật nẩy và

máy dò siêu âm

2

/

F

P

R n

/

F

P

R k

k =

VLXD-Tính chất cơ lý 1-38

Cường độ chi ̣u nén, kéo, cắt

VLXD-Tính chất cơ lý 1-39

Cường độ chi ̣u uốn

Khi thí nghiệm gia lực tác dụng phần trên chịu nén,

phần dưới chịu kéo cho đến khi mẫu bị phá hoại

hoàn toàn

1 điểm đặt lực 2 điểm đặt lực

2

2

3

bh

Pl

2

) ( 3

bh

a l P

=

VLXD-Tính chất cơ lý 1-40

Độ cứng

Là tính chất của vật liệu chống lại sự xuyên đâm của một vật liệu khác cứng hơn nó Có 2 phương pháp xác định:

Độcứng Morh (Đối với vật liệu khoáng); so sánh tương đối hơn hay kém

Độcứng Brinell (Đối với vật liệu kim loại, gỗ, bê tông) Dùng viên bi thép có đường kính D mm, ấn vào vật liệu cần thử một lực P Dựa vào vết lõm trên vật liệu nông hay sâu để xác định độ cứng