Cấu trúc và tính chất của vật liệu xây dựng

Trọng tâm của kiến thức vật liệu xây dựng là sự hiểu biết chung về mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất, đối với vật liệu kết cấu chủ yếu là tính chất cơ học, đối với vật liệu chuy

Chương 1

CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU XÂY DỰNG

Trọng tâm của kiến thức vật liệu xây dựng là sự hiểu biết chung về mối quan hệ

giữa cấu trúc và tính chất, đối với vật liệu kết cấu chủ yếu là tính chất cơ học, đối với vật

liệu chuyên dùng có thể là tính cách nhiệt cách âm, tính chống ăn mòn, tính chống thấm

nước, thấm hơi và thấm khí

Vật liệu xây dựng được phân loại theo 2 cách chính:

Theo bản chất

- Vật liệu vô cơ: các loại đá thiên nhiên, các loại vật liệu nung, các chất kết dính vô

cơ, bê tông, vữa và các loại vật liệu đá nhân tạo không nung khác

- Vật liệu hữu cơ: gồm các loại vật liệu gỗ, tre, các loại nhựa bitum và guđrông, các

loại chất dẻo, sơn, vecni

- Vật liệu kim loại: gang, thép, kim loại màu, hợp kim

Theo nguồn gốc

- Vật liệu đá nhân tạo: hình thành bằng sự ximăng hoá các loại các loại cốt liệu

nhiều cỡ hạt hoặc các dạng khác thành 1 khối đồng nhất bằng chất thứ 2 (chất

kết dính) hoặc bằng liên kết thứ 2 (hoá, điện, kim loại ) trong điều kiện nhà

máy hay trực tiếp tại công trường Chúng được gọi là nhân tạo vì trên vỏ trái đất

còn có 1 nhóm vật liệu khác gọi là vật liệu đá thiên nhiên, vật liệu đá thiên nhiên

hình thành trong 1 giai đoạn lịch sử lâu dài

- Vật liệu đá nhân tạo không nung: nhóm vật liệu mà sự rắn chắc của chúng xẩy ra ở

nhiệt độ không cao lắm và sự hình thành cấu trúc là kết quả của sự biến đổi hoá

học và hoá lí của chất kết dính, ở trạng thái dung dịch (phân tử, keo, lỏng và rắn,

pha loãng và đậm đặc)

- Vật liệu đá nhân tạo nung: nhóm vật liệu mà sự rắn chắc của nó xẩy ra chủ yếu là

quá trình làm nguội của dung dịch nóng chảy Dung dịch đó đóng vai trò làm

chất kết dính

1.2 Tính chất vật lý

1.2.1 Khối lượng thể tích

Khối lượng thể tích (γ0) là khối lượng của 1 đơn vị thể tích vật liệu ở trạng thái tự

nhiên:

0

0

V

G

=

γ

(kG/m3, kG/l, T/m3) (1- 1)

Để xác định γ0 ta cần xác định khối lượng G và thể tích tự nhiên V0

Xác định G bằng cách cân vật liệu trực tiếp ở trạng thái khô để xác định γ0k hay ở

trạng thái ẩm (để xác định γ0w)

Thể tích V0 có thể xác định theo từng trường hợp cụ thể với vật liệu có hình dánh

hình học rõ ràng, không có hình dáng hình học hay với vật liệu dạng hạt

1.2.2 Khối lượng riêng

Khối lượng riêng (γa) là khối lượng của 1 đơn vị thể tích vật liệu ở trạng thái hoàn

toàn đặc:

a a

V

G

=

γ

Để xác định γa ta cần xác định khối lượng G và thể tích đặc Va

Khi xác định khối lượng G cần cân vật liệu sau khi đã sấy khô ở nhiệt độ t0 =105

- 1100C Khi xác định Va cần thực hiện theo một trong hai trường hợp sau:

Với vật liệu đặc xác định V a như xác định V 0

Với vật liệu rỗng ta nghiền vật nhỏ đến cỡ hạt lọt qua sàng 900 lỗ/cm2 để loại trừ

thể tích các lỗ rỗng khi xác định thể tích bằng bình tỷ trọng

1.2.3 Độ đặc và độ rỗng của vật liệu

Độ đặc (đ),độ rỗng toàn phần (r) được tính theo công thức:

Hay

% 100

V d

0

0 0 a

a

a

d

V

γ γ γ γ

=

=

=

(1 ).100%

1 1

V

r

0

0 0

0 0

a

a

a r

r

d V

V V V

γ γ

γ γ

−

=

−

=

−

=

−

=

=

Để đánh giá chính xác các tính chất của vật liệu cần xác định độ rỗng toàn phần

(công thức trên) và độ rỗng hở Độ rỗng hở của vật liệu được xác định bằng cách cho vật

liệu bão hoà nước

1.2.4 Độ hút nước và độ hút nước bão hoà

Độhút nước của vật liệu đượcbiểu thị theo phần trăm khối lượng (Hp) hay thể tích

(Hv)

an n

k n

v

k

k p

V

G G V

V H

G

V G H

γ

% 100

% 100

0 0

-−

=

=

−

=

(1- 5)

% 100

V

d

0

0 0 a

a

a

d

V

γ

γ

γ γ

=

=

=

Sự liên hệ của hai đại lượng này có thể biểu diễn theo công thức:

Mức độ nước bị hút vào vật liệu được đánh giá bằng hệ số bão hoà nước (Cbh)

Trong đó:

Gk- khối lượng mẫu khi khô

Gư – khối lượng mẫu khi hút no nước

Vn – Thể tích của nước mà vật liệu hút vào

γan - khối lượng riêng của nước

Khi thí nghiệm xác định độ hút nước ta đem sấy khô mẫu ở nhiệt độ t0=105-1100C

rồi ngâm mẫu ngập trong nước khoảng 3x24h

Độ hút nước bão hoà được thực hiện bằng một trong 2 cách sau:

Thả vật liệu khô ngập trong nước, đem đun sôi, để nguội rồi vớt ra

Cho vật liệu khô ngập trong nước, hạ áp suất trên mặt thoáng của nước xuống còn

20mmHg, sau khi thoát hết bọt khí khôi phục lại áp suất thường trong 2h

1.2.5 Tính truyền nhiệt

Đặc trưng cho tính truyền nhiệt là hệ số truyền nhiệt

τ

λ

)

(

0 2

0

1 t t F

a Q

−

=

Trong đó:

Q – Nhiệt lượng truyền qua vật liệu khi thí nghiệm (kCal)

a – Chiều dày để nhiệt truyền qua (m)

F – Diện tích truyền nhiệt (m2)

t1, t2 - nhiệt độ ở 2 bề mặt mẫu (0C)

t - Thời gian thí nghiệm (h)

Quan hệ giữa hệ số truyền nhiệt và cấu tạo của vậtliệu thể hiện bởi công thức:

14 , 0 22 0 0196

Hoặc

14 , 0 22 0 0196 0 16 ,

λ

Công thức này chỉ đúng khi vật liệu để tự nhiên trong không khí (ở độ ẩm vật liệu

W=1-7%, t = 20-250C)

Hệ số truyền nhiệt của vật liệu thay đổi, phụthuộc vào nhiệt độ trung bình của mẫu

thí nghiệm, theo công thức Vlaxov:

) 002 0 1

0 tb

Trong đó:

o

λ –hệ số truyền nhiệt của vật liệu ở 00C;

t

λ –hệ số truyền nhiệt của vật liệu ở ttb;

ttb –nhiệt độ trung bình của vật liệu;

1.3 Tính chất cơ học

1.3.1 Tính biến dạng của vật liệu

Tính biến dạng của vật liệu là tính chất của nó có thể thay đổi hình dạng, kích thước

dưới sự tác động của tải trọng bên ngoài Dựa vào đặc tính biến dạng người ta chia ra

biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo Biến dạng đàn hồi là biến dạng hoàn toàn mất đi khi

loại bỏ nguyên nhân gây ra biến dạng Còn biến dạng dẻo thì không mất đi khi loại bỏ

nguyên nhân gây biến dạng

Biến dạng đàn hồi thường xảy ra khi tải trọng tác dụng bé và ngắn hạn Tính đàn

hồi được đặc trưng bằng môđun đàn hồi E

th

E

ε

σ

=

Trong đó:

σ - ứng suất, kG/cm2

ε - biến dạng đàn hồi, được xác định bằng biến dạng tương đối – tỷ số giữa biến

dạng tuyệt đối ∆l so với chiều dài ban đầu l của mẫu

Điều kiện của biến dạng đàn hồi: ngoại lực tác dụng lên vật chưa vượt quá lực

tương tác giữa các chất điểm của nó Do đó công của ngoại lực sẽ sinh ra nội năng và khi

bỏ ngoại lực nội năng lại sinh ra công đưa vật liệu trở về vị trí ban đầu

Khi lực tác dụng đủ lớn và lâu dài thì ngoài biến dạng đàn hồi còn xuất hiện biến

dạng dẻo Nguyên nhân là lực tác dụng đã vượt quá lực tương tác giữa các chất điểm và

phá vỡ cấu trúc của vật liệu làm các chất điểm có chuyển dịch tương đối Do đó biến

dạng vẫn còn tồn tại khi loại bỏ ngoại lực Biến dạng dẻo của vật liệu dẻo lý tưởng tuân

theo định luật Niutơn:

η

σ

εd = .t

Trong đó:

σ - ứng suất, kG/cm2

t – thời gian (s)

η - độ nhớt, kG/cm2.s

Trong vật liệu xây dựng thường có cả tính đàn hồi và tính dẻo Do đó biến dạng ε là

biến dạng tổng cộng của biến dạng dư εd và biến dạng đàn hồi εđh

Dựa vào quan hệ giữa ứng suất và biến dạng người ta phân ra vật liệu loại dẻo, giòn

và đàn hồi Vật liệu dẻo là vật liệu trước khi phá hoại có biến hình dẻo rõ rệt (thép), còn

vật liệu giòn thì ngược lại

Hiện tượng mà biến dạng dẻo tăng theo thời gian khi ngoại lực không đổi tác dụng lâu

dài lên vật liệu rắn gọi là hiện tượng từ biến Nếu giữ cho biến hình không đổi, dưới tác

dụng của ngoại lực, ứng suất đàn hồi cũng sẽ giảm dần theo thời gian, đó là hiện tượng

chùng ứng suất

1.3.2 Cường độ

Cường độ là khả năng của vật liệu chống lại sự phá hoại của ứng suất gây ra do

ngoại lực hoặc các yếu tố khác Cường độ của vật liệu được xác định bằng cường độ giới

hạn R ở một dạng biến dạng cho trước đối với vật liệu giòn (đá thiên nhiên, bê tông, vữa

xây dựng, gạch, ) đặc trưng chủ yếu của cường độ là cường độ nén giới hạn Vì vật liệu

xây dựng không đồng nhất, nên cường độ giới hạn được xác định bằng kết quả trung bình

khi thí nghiệm một tổ mẫu (thường không ít hơn 3 mẫu) Dựa vào cường độ giới hạn,

người ta định ra mác của vật liệu

Có 2 phương pháp xác định cường độ của vật liệu: phương pháp phá hoại và

phương pháp không phá hoại Trong phương pháp phá hoại, cường độ của vật liệu được

xác định trên những mẫu tiêu chuẩn Trong phương pháp không phá hoại, phương pháp

âm học đựoc sử dụng rộng rãi nhất Cường độ của vật liệu gián tiếp được đánh giá qua

tốc độ truyền sóng siêu âm qua nó Đối với vật liệu hỗn hợp (bê tông) người ta thường

dùng phương pháp siêu âm xung

Nguyên lí làm việc của máy: Bộ máy xung truyền xung động điện đến độ phát siêu

âm, tại đây xung động điện biến thành sóng siêu âm truyền qua vật liệu đến bộ phận biến

giao động thành giao động điện qua bộ khuếch đại để đếnmàn hình chỉ báo

Tốc độ truyền sóng siêu âm v (cm/gy) được xác định theo công thức:

0

t t

S

v= −

Trong đó

S – quãng đường, cm

t – thời gian truyền sóng siêu âm (s)

t0 – thời gian hiệu chỉnh (s) phụ thuộc vào vị trí của thiết bị

Dựa vào v ta có thể tìm được cường độ của vật liệu dưạ vào cách tra đồ thị

1.3.3 Độ cứng

Độ cứng là tính chất của vật liệu chống lại tác dụng đâm xuyên của vật liệukhác

cứng hơn

Độ cứng của vật liệu khoáng được đánh giá bằng bảng thang Morh, gồm có 10

khoáng vật mẫu được xắp xếp theo độ cứng tăng dần

Độ cứng của vật liệu sẽ tương ứng với độ cứng của khoáng vật nào đó mà khoáng

vật đứng ngay trước nó không rạch được vật liệu, còn khoáng vật đứng ngay sau nó lại dễ

dàng rạch được vật liệu đứng trước

Độ cứng của kim loại, gỗ, bê tông v.v có thể được xác định bằng phương pháp

Brinen Độ cứng của vật liệu được xác định dựa vào lực ép P lên viên bi thép có đường

kính D và vết lõm có đường kính d do viên bi để lại trên bề mặt vật liệu:

2 2

(

2

d D D D

P F

P HB

−

− Π

=

=

Lực P được xác định theo công thức:

Trong đó:

K là hệ số, đối với kim loại đen K=30, kim loại màu K=10, kim loại mềm K=3

D là đường kính của viên bi, có thể là 10; 5; 2.5; 1mm

1.3.4 Độ cọ mòn

Độ cọ mòn (Mn) phụ thuộc vào độ cứng, cường độ và cấu tạo nội bộ của vật liệu

Nếu khối lượng của mẫu trước khi thí nghiệm là m1, khối lượng của mẫu sau khi cho

máy mài mòn quay 1000 vòng trên mâm quay có rắc 2,5 lít cát cỡ hạt 0,3-0,6mm là m2 và

có diện tích tiết diện mài mòn là F thì:

F

m m

Mn 1− 2

=

Tính chất này rất quan trọng đối với vật liệu làm đường, lát vỉa hè, lát sàn, bậc tay vịn

cầu thang

1.3.5 Độ hao mòn

Độ hao mòn Q (%) đặc trưng cho độ hao hụt vật liệu vừa do cọ mòn vừa do va

chạm Độ cọ mòn được thí nghiệm trên máy Đevan Nếu khối lượng của hỗn hợp vật liệu

trước khi thí nghiệm là m1 (5kG) và sau khi thí nghiệm (máy quay 10.000 vòng rồi sàng

qua sàng 2mm ) là m2 thì

% 100

1

2 1

m

m m

Q= −

Dựa vào độ hao mòn của vật liệu được phân ra các loại : chống hao mòn rất khoẻ

(Q < 4%), khoẻ (Q = 4 - 6%); trung bình (Q = 6 -10 %), yếu ( Q = 10 - 15%) và rất yếu

(Q > 15%)

1.3.6 Hệ số phẩm chất

Hệ số phẩm chất hay còn gọi là hệ số chất lượng kết cấu của vật liệu là một đại

lượng đặc trưng bằng tỷ số giữa cường độ tiêu chuẩn (kG/cm2) và khối lượng thể tích tiêu

chuẩn (không thứ nguyên nhưng giá trị tính bằng T/m3)

Đối với một số loại vật liệu xây dựng có Kpc như sau: Chất dẻo sợi thuỷ tinh:

4500/2=2250; gỗ 100/0,5=200; thép cường độ cao:1000/7,85=127; thép thường:

3900/785=497; bê tông nhẹ: 400/1,8 = 222; bê tông nặng: 400/2,4 = 167; gạch 100/1,8 =

56

1.4 Tuổi thọ

1.4.1 Khái niệm

Tuổi thọ là tính chất của vật liệu giữ được khả năng làm việc trong thời gian nhất

định Đây là chỉ tiêu tính chất tổng hợp Thông thường quá trình sử dụng, tiếp xúc trực

tiếp với môi trường, thành phần và tính chất của vật liệu bị thay đổi (thường giảm theo

thời gian) Đến một lúc nào đó công trình mất khả năng sử dụng (phai sửa chữa, thay thế

hoặc làm lại) Tuổi thọ của vật liệu và của công trình có mối quan hệ chặt chẽ với nhau

Những công trình khó sửa chữa và khó thay thế thì tuổi thọ của vật liệu phải lớn hơn tuổi

thọ công trình

Để xác định tuổi thọ của vật liệu người ta dùng phương pháp quan sát thực tế những

biến đổi tính chất của nó (phương pháp này đòi hỏi thời gian quan trắc dài, đến hàng chục

năm) hoặc dùng phương pháp mô phỏng những yếu tố tác động lên vật liệu trong quá

trình sử dụng với một cường độ mạnh lên nhiều lần để rút ngắn thời gian thí nghiệm Dựa

vào tuổi thọ, người ta có thể lựa chọn vật liệu sao cho phù hợp với công trình

1.4.2 Phương pháp xác định

Tính chất của vật liệu xây dựng được xác định dựa vào thành phần và cấu trúc rỗng

của nó Vì vậy để chế tạo vật liệu với những tính chất định trước cần phải hiểu rõ quá

trình hình thành cấu trúc và những biến đổi của các chất trong qúa trình công nghệ

Những vấn đề này phải được nghiên cứu ở cấu trúc vi mô cũng như phân tử và ion bằng

các phương pháp phân tích lý hoá

Phương pháp thạch học: được dùng để nghiên cứu các loại vật liệu khác nhau;

clanke ximăng, đá ximăng, bê tông, thuỷ tinh, vật liệu chịu lửa, xỉ, vật liệu gốm Các

thiết bị dùng trong phương pháp này để nghiên cứu các đặc tính quang học của từng

khoáng chất, mà các đặc tính đó xác định cấu tạo bên trong của chúng Những tính chất

quang học chủ yếu của khoáng là các chỉ tiêu khúc xạ ánh sáng, mốc ánh sáng,

màu.v.v Hiện nay trong nghiên cứu thạch học đã xuất hiện nhiều phương pháp hiện đại

như phương pháp kính hiển vi phân cực, phương pháp kính hiển vi phản quang, phương

pháp kính hiển vi thấu quang

Phương pháp kính hiển vi điện tử: dùng để nghiên cứu màng tinh thể Kính hiển vi

điện tử hiện đại có độ phóng đại đến 3600.000 lần, có nghĩa là có thể nhìn thấy những hạt

có kích thước từ 0,3.10-9 đến 0,5.10-9m Nhờ những tia điện tử có sóng ngắn hơn sóng

ánh sáng nhìn thấy, người ta có thể xâm nhập sâu vào thế giới vimô Kính hiển vi điện tử

có thể nghiên cứu được hình dạng và kích thước của các tinh thể cực nhỏ; các quá trình

lớn lên và phá huỷ tinh thể; các quá trình khuếch tán; sự biến đổi pha khi gia công nhiệt

và làm nguội; cơ học biến dạng và phá huỷ

Phương pháp phân tích biểu đồ rơngen là phương pháp nghiên cứu cấu tạo và thành

phần của chất bằng thực nghiệm để thu nhiễu xạ của những tia rơngen trong các chất này

Tia rơngen có dao động điện từ ngang với ánh sáng nhìn thấy, nhưng có bước sóng ngắn

hơn Chùm tia rơngen được nhìn thấy trong ống rơngen nhờ kết quả của sự đụng chạm

của các điện tử catốt (-) với anốt (+) trong sự khác biệt lớn về điện thế Việc sử dụng bức

xạ rơngen để nghiên cứu các chất kết tinh có cơ sở là chiều dài các bước sóng của nó

Tương ứng với khoảng cách giữa các nguyên tử trong mạng lưới kết tinh của các chất

Mạng này là lưới nhiễu xạ tự nhiên đối với tia rơngen Mỗi chất kết tinh đặc trưng bằng

một tập hợp những vạch nhất định trên ảnh chụp rơn gen Nhờ ảnh chụp rơngen người ta

có thể xác định được bản chất các pha kết tinh chứa trong vật liệu ảnh chụp rơngen các

hạt của mẫu đa khoáng được đối chiếu hoặc là với ảnh chụp các khoáng thành phần hoặc

là với số liệu trong bảng có sẵn Phương pháp phân tích thành phần pha bằng tia rơngen

dùng để kiểm tra nguyên liệu và sản phẩm, để điều khiển các quá trình công nghệ, cũng

như để dò khuyết tật

Phương pháp phân tích nhiệt vi sai (DTA) dùng để xác định thành phần khoáng và

ứng nhiệt Trong các quá trình vật lí và hoá học của sự biến đổi chất nhiệt năng có thể

được hút vào hoặc nhả ra Sự hút nhiệt sẽ sinh ra quá trình khử nước, phân li, nóng chảy

Sự nhả nhiệt trùng với các quá trình ôxy hoá, hình thành những liên kết mới, chuyển hoá

trạng thái vô định hình sang kết tinh Trong quá trình phân tích nhiệt nhờ 1 thiết bị để ghi

4 đường: đơn giản, nhiệt vi sai và các đường mất khối lượng tương ứng Nội dung của

phương pháp DTA là so sánh phẩm chất của vật liệu thử với 1 chất chuẩn Các quá trình

thu nhiệt thể hiện ở phần lõm của ảnh chụp nhiệt vi sai, còn quá trình toả nhiệt ở các đỉnh

của ảnh chụp

Phân tích quang phổ là phương pháp vật lí phân tích chất lượng và số lượng của các

chất dựa trên cơ sở bức xạ quang phổ của chúng Trong nghiên cứu vật liệu xây dựng chủ

yếu người ta sẽ dùng bức xạ quang phổ hồng ngoại Hoạt động của máy dựa trên tác dụng

giữa chất nghiên cứu với bức xạ điện từ ở vùng hồng ngoại Quang phổ hồng ngoại có

liên quan với năng lượng dao động của các nguyên tử và năng lượng xoay của các phân

tử và là một đặc trưng để xác định các nhóm và tổ hợp nguyên tử Máy chụp quang phổ

có thể ghi được các quang phổ hồng ngoại