Chương II Tính chất cơ bản của Vật liệu Xây dựng

NghiÒn g¹ch thµnh bét, sÊy kh« ®Õn khèi l­îng kh«ng ®æi. Sµng bét g¹ch qua sµng 900 lçcm2. C©n 10g ( ) bét g¹ch. ®æ n­íc vµo èng l­êng nhá ®äc thÓ tÝch V1. §æ bét g¹ch vµo èng l­êng, ®äc thÓ tÝch V2. X¸c ®Þnh khèi l­îng riªng theo c«ng thøc sau: NghiÒn g¹ch thµnh bét, sÊy kh« ®Õn khèi l­îng kh«ng ®æi. Sµng bét g¹ch qua sµng 900 lçcm2. C©n 10g ( ) bét g¹ch. ®æ n­íc vµo èng l­êng nhá ®äc thÓ tÝch V1. §æ bét g¹ch vµo èng l­êng, ®äc thÓ tÝch V2. X¸c ®Þnh khèi l­îng riªng theo c«ng thøc sau: NghiÒn g¹ch thµnh bét, sÊy kh« ®Õn khèi l­îng kh«ng ®æi. Sµng bét g¹ch qua sµng 900 lçcm2. C©n 10g ( ) bét g¹ch. ®æ n­íc vµo èng l­êng nhá ®äc thÓ tÝch V1. §æ bét g¹ch vµo èng l­êng, ®äc thÓ tÝch V2. X¸c ®Þnh khèi l­îng riªng theo c«ng thøc sau: NghiÒn g¹ch thµnh bét, sÊy kh« ®Õn khèi l­îng kh«ng ®æi. Sµng bét g¹ch qua sµng 900 lçcm2. C©n 10g ( ) bét g¹ch. ®æ n­íc vµo èng l­êng nhá ®äc thÓ tÝch V1. §æ bét g¹ch vµo èng l­êng, ®äc thÓ tÝch V2. X¸c ®Þnh khèi l­îng riªng theo c«ng thøc sau:

Môn học: Vật liệu Xây dựng

Giảng viên: TS Vũ Quốc Vương

Trường Đại học Thủy lợi

Bộ môn Vật liệu Xây dựng

Chương II

Tính chất cơ bản của Vật liệu Xây dựng

§II.1 Thành phần và cấu

trúc của vật liệu

I Thành phần vật liệu

Thành phần của VL: Được đặc trưng bởi 3 thành phần (TP) gồm có:

TP hóa học (TPHH), TP khoáng vật (TPKV), và TP pha

1 Thành phần hóa học: Là % các ôxit (các nguyên tố HH) có trong

VL (kim loại (hợp kim) thì TPHH biểu thị % các nguyên tố HH)

2 Thành phần khoáng vật: Là % các muối kép (khoáng vật) có

trong VL

3 Thành phần pha: Là biểu thị trạng thái của pha rắn, lỏng, hay khí

của VL

II Cấu trúc của Vật liệu

1 Cấu trúc vĩ mô: Bằng mắt thường có thể phân biệt được dạng cấu

trúc này (VD: Dạng đặc chắc, tổ ong, dạng lớp, dạng hạt rời, )

2 Cấu trúc vi mô: Chỉ có thể quan sát bằng kính hiển vi để thấy

trạng thái của chất là kết tinh hay vô định hình Dạng tinh thể thì các hạt nguyên tử, phân tử sắp xếp theo trật tự nhất định và VL ở dạng VĐH thì các hạt sắp xếp không theo trật tự

3 Cấu trúc trong (siêu vi mô): Phải dùng thiết bị hiện đại để quan

sát và nghiên cứu như kính hiển vi điện tử, phân tích rơn ghen để nghiên cứu cấu tạo nguyên tử, phân tử của vật liệu

4

III Phân loại các tính chất của Vật liệu

Để thuận tiện cho việc nghiên cứu và sử dụng VL trong CTXD, có thể phân các tính chất của VL thành các nhóm như: T/c vật lý, cơ học, hoá học, tính chất của vật liệu khi chịu tác dụng của nhiệt, …

•Nhóm tính chất vật lý: Đặc trưng cho trạng thái, cấu trúc và xác định mối

quan hệ của vật liệu với môi trường;

•Nhóm tính chất cơ học: Xác định quan hệ của vật liệu với biến dạng và sự

phá huỷ của nó dưới tác dụng của tải trọng;

•Nhóm tính chất hoá học: Liên quan đến những biến đổi hoá học và độ bền

vững của vật liệu đối với tác dụng ăn mòn hoá học;

•Tính chất của vật liệu khi chịu tác dụng của nhiệt.

Nội dung chương trình sẽ giới hai nhóm là tính chất vật lý và tính chất

cơ học (Tính chất cơ lý của vật liệu)

I Khối lượng riêng (tỷ khối): a (g/cm3)

Khối lượng riêng (tỷ khối) - Specific Mass, trọng lượng riêng (tỷ

trọng) - Specific weight hoặc (Specific gravity)

1 Định nghĩa: KLR là khối lượng của một đơn vị thể tích vật liệu khô

ở trạng thái hoàn toàn đặc (bên trong không có lỗ rỗng)

2 Công thức:

Gmk: Khối lượng mẫu vật liệu ở trạng thái khô

Va: Thể tích vật liệu ở trạng thái khô

II Khối lượng thể tích (dung khối): o k (g/cm3)

Khối lượng thể tích (dung khối) - Unit Mass, KL đơn vị - Unit weight

1 Định nghĩa: KL thể tích là khối lượng của một đơn vị thể tích vật

liệu khô ở trạng thái tự nhiên (bên trong có lỗ rỗng)

2 Công thức:

Trong đó: ok: Khối lượng thể tích (đơn vị) (g/cm3)

Gmk: Khối lượng mẫu vật liệu ở trạng thái khô

Vok: Thể tích vật liệu khô ở trạng tự nhiên

3 Ứng dụng: dùng để xác định độ đặc, rỗng, và tính toán phương tiện

vận chuyển, khối lượng cấu kiện, phân loại và phán đoán cường độ vật liệu

8

 3

k o

k m

II Khối lượng thể tích (dung khối)

a) Khối lượng thể tích khô:

b) Khối lượng thể tích ẩm:

c) Khối lượng thể tích bão hòa:

k o

k m

â m

bh m

đổi: V o k = V o â = V o bh

• Nếu vật liệu có thể tích thay

đổi khi độ ẩm thay đổi: V o k

≠ V o â ≠ V o bh

• KLTT của một số vật liệu:Gạch đất sét: 1,6 ÷ 1,9 t/m3

Cát, đá: 1,4 ÷ 1,7 t/m3

Xi măng Po: 1,2 ÷ 1,3 t/m3

III Độ đặc (%): đ%

1 Định nghĩa: Là tỷ số giữa thể tích phần đặc so với thể tích tự nhiên

của vật liệu ở trạng thái khô

2 Công thức:

Trong đó: đ%: Độ đặc của vật liệu (%)

Vok: Thể tích tự nhiên của vật liệu ở trạng thái khô

Va: Thể tích đặc của vật liệu ở trạng thái khô

3 Ứng dụng: Dùng để phân loại và phán đoán cường độ vật liệu

10

%

100 V

V

đ k

o a

%  

IV Độ rỗng (%): r%

1 Định nghĩa: Là tỷ số giữa thể tích rỗng so với thể tích tự nhiên của

vật liệu ở trạng thái khô

2 Công thức:

Trong đó: r%: Độ rỗng của vật liệu (%)

Vok: Thể tích tự nhiên của vật liệu ở trạng thái khô

Vr: Thể tích rỗng của vật liệu ở trạng thái khô

Va: Thể tích đặc của vật liệu ở trạng thái khô

3 Ứng dụng: Dùng để phân loại và phán đoán cường độ vật liệu

% 100 1

%

100 V

V

V

%

100 V

V r

a

k o k

o

a

k o k

V Những tính chất vật lý có liên quan đến nước

1 Các dạng nước có trong vật liệu:

• Nước kết tinh (LK hóa học)

+ Cao lanh: Al 2 O 3 SiO 2 2H 2 O  Al 2 O 3 SiO 2 + 2H 2 O (ở 700-800 o C )

+ Thạch cao: CaSO4.2H2O  CaSO4 + 2H2O (ở 700 o C)

• Nước hấp phụ (nước hóa lý)

• Nước cơ học (nước tự do)

12

V Những tính chất vật lý có liên quan đến nước

2 Độ ẩm - Moisture Content, W(%)

• Định nghĩa: Là tỷ số giữa khối lượng nước có trong vật liệu ở

trạng thái ẩm so với khối lượng của vật liệu ở trạng thái khô

• Công thức:

Trong đó: W%: Độ ẩm (%)

Gnâ: Khối lượng nước có trong VL ở trạng thái ẩm

Gmk: Khối lượng mẫu VL ở trạng thái khô

%

100 G

G

W k

m

â n

%  

V Những tính chất vật lý có liên quan đến nước

3 Mức hút nước theo khối lượng (Absorption)

• Định nghĩa: Là tỷ số giữa khối lượng nước chứa trong vật liệu ở

trạng thái bão hoà so với khối lượng vật liệu ở trạng thái khô

• Công thức:

Trong đó: Hp%: Mức hút nước theo khối lượng (%)

Gnbh: Khối lượng nước có trong VL ở trạng thái BH

14

%

100G

G

m

bh n

V Những tính chất vật lý có liên quan đến nước

4 Mức hút nước theo thể tích Hv%

• Định nghĩa: Là tỷ số giữa thể tích nước chứa trong vật liệu ở trạng

thái bão hoà so với thể tích vật liệu ở trạng thái khô

• Công thức:

Trong đó: Hv%: Mức hút nước theo thể tích(%)

Vnbh: Thể tích nước có trong VL ở trạng thái BH

Vmk: Thể tích VL ở trạng thái tự nhiên khô

%

100V

V

m

bh n

V Những tính chất vật lý có liên quan đến nước

5 Hệ số bão hòa nước B%

• Định nghĩa: Là tỷ số giữa thể tích nước chứa trong vật liệu ở trạng

thái bão hoà so với thể tích rỗng của vật liệu

• Công thức:

Vnbh: Thể tích nước có trong VL ở trạng thái BH

 V nbh = 0  B = 0: Vật không thấm nước

 Vnbh < Vr  B < 1: Vật bão hoà nước không hoàn toàn

 Vnbh = Vr  B = 1: Vật bão hoà nước hoàn toàn

16

%

100V

VB

r

bh n

V Những tính chất vật lý có liên quan đến nước

6 Hệ số mềm hóa Mh: Khi VL thấm nước (khi BH nước) thể tích,

tính dẫn điện, dẫn nhiệt tăng nhưng cường độ giảm Mức độ giảm cường độ nhiều hay ít được biểu thị bằng hệ số mềm hoá

• Định nghĩa: Hệ số mềm hoá là tỷ số giữa cường độ vật liệu ở trạng

thái bão hoà nước so với cường độ của nó ở trạng thái khô

• Công thức:

Trong đó: Mh: Hệ số mềm hóa

Rbh, Rk: Cường độ VL ở trạng thái bão hòa, khô

Mh > 0,8 gọi là VL chịu nước, Mh càng cao VL càng chịu được nước đối với CTTL yêu cầu Mh ≥ 0,85

k

bh

RR

Mh 

V Những tính chất vật lý có liên quan đến nước

7 Tính thấm nước của VL: Là tính chất để cho nước thấm qua khi

có độ chênh lệch áp lực Mức độ thấm nước phụ thuộc vào độ rỗng, đặc trưng của lỗ rỗng, áp lực nước, và nhiệt độ môi trường

• Tính thấm nước của VL được đặc trưng bằng hệ số thấm K hoặc mác chống thấm B

• Công thức:

Trong đó: K: Hệ số thấm nước (cm/s); t: Thời gian thấm;

H: Cột nước thấm; D, F: Kích thước mẫu

• Mác chống thấm B: Trị số áp lực lớn nhất mà mẫu thử không để nước thấm qua Mác chống thấm thường là B-2, B-4, B-6, B-8, …

18

)s/cm

(Ht

F

D

QK









V Những tính chất vật lý có liên quan đến nước

8 Tính bền của vật liệu (Durable properties):

• Trong quá trình làm việc, ngoài chịu tác dụng của tải trọng VL còn chịu ảnh hưởng lâu dài của điều kiện môi trường (như sự thay đổi nhiệt độ, độ ẩm, tác dụng của các hoá chất và các chất khí trong

không khí) làm cho chất lượng của nó giảm sút

• Do đó vật liệu cần có tính bền nhất định Các VL có tính bền tốt như đá thiên nhiên, các VL bằng sành không bị lão hoá Các vật liệu có tính bền kém như gỗ (chất lượng mau giảm khi nhiệt độ và

độ ẩm thay đổi thường xuyên)

3 Từ biến: Là loại biến dạng tăng theo thời gian khi lực tác dụng không đổi, tác

dụng lâu dài lên vật liệu

• Nguyên nhân:

II Cường độ của VL

1 Khái niệm về cường độ VL:

• Định nghĩa: Cường độ của vật liệu biểu thị khả năng chống lại sự

phá hoại của ứng suất xuất hiện trong vật liệu do ngoại lực gây ra

Ký hiệu là R (KG/cm2 = daN/cm2; MPa = 1N/mm2)

• Phân loại: Tùy theo hình thức chịu lực của KC mà người ta phân

ra các loại cường độ khác nhau như cường độ nén (Rn), kéo (Rk), uốn (Ru), xoắn (Rx), …

• Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ của vật liệu gồm i) thành

phần và cấu trúc vật liệu; ii) độ đặc, độ rỗng của VL; iii) nhiệt độ

và độ ẩm môi trường; iv) hướng và thời gian chịu tải;

22

II Cường độ của VL

• Hiện tượng khả năng chịu lực của vật liệu giảm dần theo thời gian

là do 2 nguyên nhân:

– Hiện tượng lão hoá: Do trong quá trình làm việc VL chịu tác động của các yếu tố luôn thay đổi của môi trường như t o , độ ẩm, gió, mưa, làm khả năng làm việc của vật liệu giảm dần.

– Hiện tượng mỏi: Là do tác động của các tải trọng lâu dài, trùng lặp, có chu kỳ

• Khi vật liệu làm việc, chỉ cho phép một giá trị nhỏ hơn cường độ

độ cho phép [R] (cường độ giới hạn) Từ đó có khái niệm về hệ số

an toàn K: K = R/[R] <1

2 Xác định cường độ:

a/ PP phá hoại: Đúc mẫu tại hiện trường hoặc khoan lấy mẫu (kích

thước tiêu chuẩn), nén (kéo, uốn…) để xác định cường độ phá hoại

II Cường độ của VL

• Hình dạng kích thước mẫu tiêu chuẩn:

+ Rn (Cường độ nén - Compressive Strength): R n = P n /F

 Mẫu lập phương: R n = P n /a 2

Đối với bê tông: a = 15 cm (D max = 40 mm); vữa: a = 7,07cm

(Nếu dùng mẫu BT a =10 cm  K=0,91; a = 20 cm  K = 1,05)

 Mẫu trụ tròn: R n = 4P n /d 2

Đối với bê tông: d = 15 cm; h = 30cm (D max = 40)  K=1,2

+ Rk: (Cường độ kéo - Tensile Strength): R k = P k /F

 Mẫu lăng trụ: R k = P k /a 2 ; BT: a = 5 cm, h = 50 cm

 Mẫu trụ tròn: R k = 4P k /d 2

 Mẫu số 8: Làm với xi măng

+ Ru (Cường độ chịu uốn - Flexural Strength): R u = 3 P u L/bh 2

Đối với xi măng: b = h = 4 cm, L = 16 cm

24

II Cường độ của VL

• Các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm chịu nén:

– Hình dạng và kích thước mẫu:

+ R lăng trụ < R lập phương (cùng tiết diện).

+ Mẫu lập phương có kích thước tiết diện khác nhau, cường độ nén sẽ thay đổi  Phải nhân hệ số hiệu chỉnh, nếu a =10 cm, K < 1 (0,91); a

II Cường độ của VL

• Thường dùng các phương pháp sau:

– Dùng máy siêu âm: Xác định vận tốc truyền sóng siêu âm (v), từ đó tra biểu đồ tìm cường độ vật liệu Tốc độ này phụ thuộc vào độ đặc,

độ cứng và khả năng đàn hồi của VL.

– Dùng súng bật nảy: Xác định số vạch (n), từ đó tra ra cường độ

– Kết hợp súng siêu âm và súng bật nẩy.

3 Số hiệu (mác) của vật liệu: M20, M30, M40….

Là giá trị qui ước được làm tròn từ cường độ giới hạn (R ứng với

tải trọng phá hoại, lấy tb của ít nhất 3 mẫu TN) xác định trong các điều kiện tiêu chuẩn (khuôn mẫu, cách chế tạo mẫu, cách bảo

dưỡng mẫu và thời gian bảo dưỡng)

26