Chương 1 Các tính chất cơ bản của vật liệu xây dựng

Đây là chương mở đầu trong tài liệu vật liệu xây dụng. Nội dung của chương nói về các tích chất cơ bản nhất của vật liệu xây dựng, bao gồm: các tính chất vật lý, các tính chất của vật liệu liên quan tới nước, các tính chất của vật liệu có liên quan đến nhiệt... Có các công thưc, hình ảnh minh họa cụ thể, có thể sử dụng để làm bài giảng, tham khảo trong quá trình nghiên cứu...

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

1.1 Khái niệm chung

1.1.1 Khái niệm

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

với nhau và tạo nên công trình xây dựng Ví dụ: Đá, gỗ, xi măng, bê tông…

VLXD chiếm một vị trí quan trọng đặc biệt trong các công trình xây dựng, chất lượngcủa vật liệu có ảnh hưởng lớn đến chất lượng và tuổi thọ công trình Mặt khác sử dụng vậtliệu để xây dựng các công trình có liên quan mật thiết đến giá thành của cả công trình, thôngthường chi phí vật liệu khoảng 74 ÷ 75% đối với công trình xây dựng dân dụng, khoảng 70%đối với các công trình giao thông, khoảng 50% đối với các công trình thủy lợi so với tổng giáthành công trình Vì vậy, muốn sử dụng VLXD đạt hiệu quả kinh tế và kỹ thuật chúng ta cầnhiểu rõ từng loại VLXD về: cấu tạo, các tính chất vật lý, hóa học, cơ học cũng như những tínhchất đặc trưng khác nhau của chúng để từ đó có các phương pháp khai thác, chế tạo, sử dụng,bảo quản vật liệu hợp lý

1.1.2 Phân loại vật liệu xây dựng

a) Theo thành phần vật liệu

- Vật liệu vô cơ: Các vật liệu đá thiên nhiên, vật liệu nung (gạch, ngói…), các loại chất

kết dính vô cơ, bê tông, vữa các loại,…

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

- 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,

c) Theo cấu trúc vật liệu

- Cấu trúc vĩ mô: Dựa vào hình dạng bên ngoài của vật liệu có thể phân loại

VLXD như sau:

+ Vật liệu đá nhân tạo đặc;

+ Vật liệu cấu tạo rỗng;

+ Vật liệu cấu tạo dạng sợi;

+ Vật liệu có cấu trúc dạng lớp;

+ Vật liệu hạt.

- Cấu trúc vi mô:

+ Dạng tinh thể: Là những chất có nhiệt độ nóng chảy và dạng hình học nhất định, chúng có độ bền và độ ổn định lớn hơn dạng vô định hình.

+ 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.

- 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.

1.2 Các tính chất vật lý của vật liệu

1.2.1 Các thông số trạng thái và đặc trưng cấu trúc của vật liệu

a) Khối lượng riêng

  , (g/cm3) (1.1)Trong đó: - Gk: Là khối lượng vật liệu ở trạng thái khô hoàn toàn (g);

- Va: Là 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.

- Cách xác định:

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).

Hình 1.1 Tủ sấy Hình 1.2 Cân kỹ thuật

không vượt quá 0,1% khối lượng Thời gian giữa hai lần cân liên tiếp không ít hơn 30 phút.

Hình 1.3 Bình tỷ trọng Hình 1.4 Thước kẹp Hình 1.5 Phù kế

- Xác định thể tích vật liệu hoàn toàn đặc (Va) 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: 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 được xem là hoàn toàn đặc có dạng bất kỳ: Phương pháp xác định dựa vào phương pháp chiếm chỗ trong 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 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.

- Ý nghĩa của khối lượng riêng:

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…

o k

o

G V

  , (g/cm3) (1.2)Trong đó: - Gk là khối lượng vật liệu ở trạng thái khô hoàn toàn, (g);

- Vo là thể tích của mẫu vật liệu ở trạng thái tự nhiên, đã được sấy khô, (cm3).

Bên cạnh khối lượng thể tích tiêu chuẩn còn sử dụng khối lượng thể tích ẩm của vật liệu, ký hiệu là w

  , (g/cm3) (1.3)

bên trong, (g);

- Vw

lượng nước bên trong (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 có khái niệm khối lượng thể tích xốp khi xétđến cả phần thể tích rỗng nằm giữa các hạt, ký hiệu x

  , (g/cm3) (1.4)Trong đó: - GVL là khối lượng vật liệu trong thùng đong, (g);

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

- Cách xác định:

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

mẫu vật liệu đã được sấy khô hoàn toàn.

+ Xác định khối lượng vật liệu ở trạng thái tự nhiên (Gw): Dùng cân kỹ thuật để cân mẫu vật liệu ở trạng thái tự nhiên (kể cả lượng nước bên trong mẫu vật liệu).

+ Thể tích tự nhiên (Vo) được xác định tùy theo loại vật liệu cụ thể.

* Với vật liệu có dạng hình học (khối lập phương, khối hình hộp chữ nhật, hình trụ, ) hoặc đã gia công thành dạng: 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 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 phần 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 (Vth) đã biết trước tùy thuộc kích thước hạt, vật liệu được đổ theo

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 (GVL).

- Ý nghĩa của khối lượng thể tích:

Khối lượng thể tích của các loại vật liệu thay đổi trong phạm vi rất rộng, nó phụ thuộc thành phần cấu trúc bản thân vật liệu Khối lượng thể tích xốp của vật liệu rời rạc ( x

o

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

độ đặc, độ hút nước, cường độ, mức độ truyền nhiệt Ngoài ra, có thể 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…

c) Độ đặc, độ rỗng

- Khái niệm:

+ 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, đơn vị %, được tính theo công thức:

Độ rỗng ký hiệu là r, đơn vị %, được tính theo công thức:

r.100%

o

V r V

 (%) (1.6)Trong đó: - Vr là thể tích lỗ rỗng có trong vật liệu, (cm3);

- Vo là thể tích vật liệu ở trạng thái tự nhiên, (cm3)

Ngoài ra còn phân biệt lỗ rỗng trong từng hạt hoặc lỗ rỗng giữa các hạt

- Ảnh hưởng của độ đặc, độ rỗng tới các tính chất khác của vật liệu:

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

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 Các lỗ rỗng hở làm tăng độ thấm nước và

độ hút nước, giảm khả năng chịu lực Tuy nhiên trong các vật liệu và sản phầm hút âm thì lỗ

rỗng hở lại cần thiết Vật liệu có nhiều lỗ rỗng kín thì cường độ cao hơn, cách âm, cáchnhiệt tốt.

Dựa vào độ rỗng có thể phán đoán một số tính chất của vật liệu như: độ chịu lực, tínhchống thấm, các tính chất có liên quan đến hút nước, cách âm, cách nhiệt,…

Bảng 1 Khối lượng riêng, khối lượng thể tích và độ rỗng của một số vật liệu

Tên vật liệu Khối lượng riêng

Bê tông xi măng tổ

Độ mịn còn có thể được đánh giá bằng diện tích bề mặt riêng (tổng diện tích bề mặtcủa tất cả các hạt vật liệu có trong 1g vật liệu đó, đơn vị đo, cm2/g) hay bằng khả năng lắngđọng trong chất lỏng …

- Ảnh hưởng của độ mịn đến tính chất của vật liệu:

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, tùy từng vật liệu và mục đích sử dụng

mà tăng giảm độ mịn

Đối với các vật liệu hạt rời rạc khi xác định độ mịn còn phải chú ý đến hàm lượng cácnhóm 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,…)

1.2.2 Các tính chất có liên quan đến nước

a) Nước ở trong vật liệu

Trong vật liệu luôn chứa một lượng nước nhất định Tùy 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 vớivật liệu khác nhau Dựa vào mức độ liên kết đó, nước trong vật được chia thành 3 loại:Nước hóa học, nước hóa lý và nước cơ học.

- Nước hoá học: Là nước tham gia vào thành phần của vật liệu, có liên kết bền

với vật liệu Nước hoá học chỉ bay hơi ở nhiệt độ cao (trên 500 °C) Khi nước hoá học mất thì tính chất hóa học của vật liệu bị thay đổi lớn

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

phân tử Vandecvan hoặc lực hút 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 (độ ẩm, nhiệt độ), khi đó nó biến thành hơi, ở mức độ nào đó, sự biến đổi này làm thay đổi tính chất của vật liệu.

- Nước cơ học (nước tự do): Loại này gần như không có liên kết với vật liệu, dễ

dàng thay đổi ngay trong điều kiện thường Khi nước cơ học thay đổi, không làm thay đổi tính chất của vật liệu

b) Độ ẩm

- Khái niệm:

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 lượng nước tự nhiên có trong vật liệu vớikhối lượng vật liệu khô

Độ ẩm ký hiệu là W, đơn vị là % và được tính theo công thức:

W n.100%

k

G G

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

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

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

- Cách xác định:

Lấy mẫu vật liệu, cân mẫu ở trạng thái tự nhiên tại thời điểm thí nghiệm Sấy khô mẫuđến khối lượng không đổi ở nhiệt độ 105 oC ÷ 110 oC, cân xác định khối lượng vật liệu khôrồi tính theo công thức

- Tính hút ẩm:

Khi để vật liệu trong môi trường không khí, tùy thuộc độ ẩm, nhiệt độ, áp suất khôngkhí vật liệu có thể hút hoặc nhả hơi ẩm làm thay đổi độ ẩm của vật liệu Mức độ hút ẩm vànhả hơi ẩm phụ thuộc vào bản chất của vật liệu, đặc tính của lỗ rỗng và môi trường Trongcùng một điều kiện môi trường nếu vật liệu càng rỗng thì độ ẩm của nó càng cao Ở môitrường 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 dày lớp nướchấp 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 xích lại gần nhau nên tuygiảm độ ẩm nhưng không gây co Khi độ ẩm tăng, vật liệu nở ra do các phần tử nước có cựcxâm nhập vào khe hở giữa các phần tử và đẩy chúng xa nhau, chiều dày lớp nước hấp phụtăng lên

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

c) Độ hút nước

- Khái niệm:

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: Ký hiệu là Hp, đơn vị % và được xác định theo côngthức:

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

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

- Gn: Là khối lượng nước mà mẫu vật liệu hút vào sau khi đã ngâm nước, (cm3);

- γan: Là khối lượng riêng của nước; γan ≈ 1 (g/cm3)

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

Tùy từng loại vật liệu mà thời gian ngâm mẫu khác nhau Thời gian ngâm mẫu thínghiệm được quy định trong các quy trình Ví dụ: thời gian ngâm mẫu đá dăm có kích thướchạt không lớn hơn 40 mm là (24 ± 4) giờ (TCVN 7572-4:2006), kích thước hạt lớn hơn 40

mm là 48 giờ (TCVN 7572-5:2006)

- Các yếu tố ảnh hưởng và ý nghĩa của độ hút nước:

Độ hút nước của vật liệu phụ thuộc vào độ rỗng, đặc tính của lỗ rỗng, bản chất ưanước hay kỵ nước của vật liệu Do nước chỉ có thể chui vào các lỗ rỗng hở nên độ hút nướcluôn 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 mộtmẫu vật liệu đem thí nghiệm thì độ hút nước lớn hơn độ ẩm

Khi độ hút nước tăng lên sẽ làm cho thể tích của một số vật liệu tăng và khả năng thunhiệt tăng nhưng cường độ chịu lực và khả năng cách nhiệt giảm đi

d) Độ bão hòa nước

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

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

- Gnbh: Là khối lượng nước mà vật liệu đã hút vào khi ngâm nước bão hòa, (g);

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

- γan: Là khối lượng riêng của nước

+ Hệ số bão hòa nước: Là tỷ lệ giữa lượng nước mà vật liệu đã hút được ở trạng tháicưỡng bức với thể tích lỗ rỗng của vật liệu Hệ số bão hòa nước ký hiệu là Cbh là đại lượngkhông thứ nguyên được xác định theo công thức:

Cbh có thể thay đổi từ 0 (khi tất cả lỗ rỗng trong vật liệu đều kín) đến 1 (khi tất

cả lỗ rỗng trong vật liệu đều hở) Hệ số bão hòa lớn tức là trong vật liệu có nhiều lỗ rỗng hở.

- Cách xác định:

Để xác định độ bão hòa nước phải tạo điều kiện cho vật liệu hút nước tối đa bằng việc thực hiện một trong hai phương pháp cưỡng bức theo nhiệt độ hay theo áp suất.

- Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bão hòa nước:

Độ bão hòa nước của vật liệu phụ thuộc vào độ rỗng, đặc tính của lỗ rỗng, bản chất ưa nước hay kỵ nước của vật liệu.

- Ảnh hưởng của độ bão hòa nước đến tính chất 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 hòa nước (Rbh) và cường độ của mẫu vật liệu khi khô hoàn toàn (Rk).

V a K



 , (m/h) (1.15) Trong đó: - Vn: Là thể tích nước thấm qua khối vật liệu, (m3);

- a: Là chiều dày khối vật liệu, (m);

- F: Là diện tích khối vật liệu mà nước thấm qua, (m2);

- t: Là thời gian nước thấm qua khối vật liệu, (giờ);

- p1, p2: Là độ chênh chệch áp lực thủy tĩnh hai mặt tường (mét cột nước)

Về mặt trị số, Kth là thể tích nước (m3) thấm qua 1 bức tường có diện tích F = 1 m2, chiều dày

a = 1 m, sau khoảng thời gian t = 1 giờ và độ chênh lệch áp lực thủy tĩnh (chênh cột nước) hai mặttường là p1 – p2 = 1 atm

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