Vật liệu xây dựng chiếm một vị trí đặc biệt quan trọng trong các công trình xây dựng. Chất lượng của vật liệu có ảnh hưởng lớn đến chất lượng và tuổi thọ của công trình. Muốn sử dụng vật liệu xây dựng có hiệu quả kinh tế và kĩ thuật cao thì cần phải hiểu biết về vật liệu xây dựng. Trong khi đó, thuật ngữ vật liệu composite ra đời trong bối cảnh có liên quan đến việc chế tạo các loại vật liệu có những tính chất ưu việt để đáp ứng nhu cầu cho các nghành kĩ thuật cao như chế tạo máy bay, vệ tinh.
Trang 1Mục lục
Mục lục 1
DANH MỤC VIẾT TẮT 3
DANH MỤC HÌNH ẢNH 4
Lời nói đầu 5
1 Khái niệm chung 6
1.1 Khái niệm 6
1.2 Lịch sử sử dụng và phát triển vật liệu composite ở nước ta 6
2.Thành phần và cấu tạo của composite 7
2.1 Nền 7
2.2 Cốt 8
2.3 Tính chất 8
3 Đánh giá chất lượng của composite 9
3.1 Composite cốt dạng hạt phân tán 9
3.2 Composit cốt sợi 10
4 Vật liệu Composite trong kết cấu xây dựng 10
4.1 Bêtông và các sản phẩm bêtông 10
4.1.1 Bêtông nặng 11
4.1.2 Bêtông nhẹ 15
4.2 Bêtông cốt thép (BTCT) 18
4.3 Xi măng amiăng 19
4.3.1 Nguyên vật liệu 19
4.3.2 Các loại sản phẩm xi măng amiăng 20
4.4 Tấm chất dẻo thủy tinh 22
4.5 Tấm sợi gỗ 25
Trang 24.6 Tấm dăm bào gỗ fibrolit 26
4.7 Vật liệu lợp và vật liệu cách nước từ bitum và grudong 27
4.7.1 Giấy lợp 27
4.7.2 Vật liệu cách nước 28
Kết luận 29
Tài liệu tham khảo 30
Trang 4DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1: Bê tông cho công trình thủy điện 11
Hình 2: Bê tông đường 12
Hình 3: Bê tông polymer 14
Hình 4: Đường ống bê tông tẩm 14
Hình 5: Gạch bê tông nhẹ dùng trong xây tường ngen 15
Hình 6: Bê tông tổ ong 16
Hình 7: Cầu thanh bê tông thép 19
Hinh 8: Bê tông cốt thép trong xây dựng cầu 19
Hình 9: Tấm lớp 20
Hình 10: Pono ximăng amiăng 21
Hình 11 : Sợi thủy tinh dạng thẳng liên tục (nhóm I) trong kết cấu tấm bao che 23
Hình 12: Mái lợp cho phân xưởng cho ánh sáng đi qua bằng tấm chất dẻo thủy tinh (nhóm II) 24
Hình 13: Kệ bếp khung inox của sợi thủy tinh bằng tectolite 24
Hình 14: Tấm sợi gỗ cách nhiệt 25
Hình 15: Tấm dăm bào sợi gỗ fibrolite dùng làm tường cách âm, cách nhiệt 26
Hình 16: Mái nhà làm bằng giấy 27
Trang 5Lời nói đầu
Vật liệu xây dựng chiếm một vị trí đặc biệt quan trọng trong các côngtrình xây dựng Chất lượng của vật liệu có ảnh hưởng lớn đến chất lượng và tuổithọ của công trình Muốn sử dụng vật liệu xây dựng có hiệu quả kinh tế và kĩthuật cao thì cần phải hiểu biết về vật liệu xây dựng
Trong khi đó, thuật ngữ vật liệu composite ra đời trong bối cảnh có liênquan đến việc chế tạo các loại vật liệu có những tính chất ưu việt để đáp ứng nhucầu cho các nghành kĩ thuật cao như chế tạo máy bay, vệ tinh
Với sự lớn mạnh và phát triển không ngừng của khoa học vật liệucomposite, cho đến nay chúng đã ứng dụng trong tất cả các lĩnh vực khoa họccông nghệ, đặc biệt là nghành xây dựng
Sự ra đời của những vật liệu composite với đặc tính: bền, cứng, đàn hồi,rẻ, đã dần thay thế cho các vật liệu xây dựng truyền thống vốn nặng và ít bền vớimôi trường thời tiết
Hy vọng trong tương lai gần sẽ càng có nhiều vật liệu composite được ứngdụng trong xây dựng cả về số lượng và chất lượng
Bài tiểu luận “ứng dụng của vật liệu composite trong lĩnh vực xây dựng”được trình bày dựa trên những kiến thức về vật liệu xây dựng đã được biên soạntrong các tài liệu cho lĩnh vực xây dựng
Mặc dù đã cố gắng hết sức để đem lại tầm nhìn khái quát và chi tiết củavật liệu composite trong xây dựng nhưng chắc chắn còn nhiều thiếu sót Kínhmong giáo viên bộ môn phê bình và đóng góp ý kiến
Em xin chân thành cảm ơn!
Trang 61 Khái niệm chung
1.1 Khái niệm
Vật liệu composite là một hệ thống di pha (không đồng nhất) được chế tạo
từ 2 cấu tử trở lên sao cho đặc tính của từng cấu tử vẫn giữ nguyên Một cấu tửtrong đó có tính chất liên tục trên toàn bộ khối vật liệu được gọi là cấu tử nền Cấu
tử khác phân bố gián đoạn trong khối vật liệu được gọi là cấu tử cốt (làm đặc)
Trong composite các cấu tử có hiệu quả tổng hợp, tạo ra một chất lượng mớicho vật liệu, khác với tính chất của các cấu tử ban đầu Trong composite kết cấuhiệu quả đó là hệ số phẩm chất (hệ số chất lượng kết cấu) cao do việc giảm khốilượng, năng suất tăng cao, thời gian sử dụng tăng
Những loại vật liệu composite thuộc xây dựng có thể kể đến là bê tông, bêtông cốt thép, bê tông cốt sợi, xi măng amiăng, tấm sợi gỗ, tấm dăm bào gỗ, tấmchất dẻo có cốt (sợi, hạt) Trong các loại cốt thì cốt sợi hay dùng hơn cả
Việc xuất hiện thuật ngữ composite có liên quan đến một hướng kĩ thuậthoàn toàn mới: đó là việc hình thành một loại công nghệ chế tạo ra những loại vậtliệu cường độ cao, chủ yếu trong chế tạo máy bay, vệ tinh và chế tạo máy Thí dụnhư việc chế tạo ra loại chất dẻo sợi thủy tinh gồm có cấu tử nền là polyme và cấu
tử cốt là sợi thủy tinh Vì vậy việc chế tạo ra một loại vật liệu mới cho xây dựngtrong tương lai có thể sẽ phải gắn với việc sử dụng lý thuyết và công nghệ của vậtliệu composite
1.2 Lịch sử sử dụng và phát triển vật liệu composit ở nước ta
Ở các nước phát triển trên thế giới thì vật liệu composite đã phát triển từlâu, nhưng với nước ta thì đây vẫn coi là vật liệu mới Thời gian ứng dụng chưalâu và thời gian ứng dụng ở nước ta còn hạn chế
Có thể nói vật liệu composite bắt đầu phát triển từ 1985, trên cơ sở nhựapolyester không no (UPE) và sợ thủy tinh để tạo một số phẩm như cano, ghexuồng nhỏ mà lúc bấy giờ được xem là một loại vật liệu mới
Trang 7Loại vật liệu này bằng sợi thường bằng sợi liên tục đã triển khai tại ThànhPhố Hồ Chí Minh năm 1986, trên cơ sở nhựa UPE và sợi thủy tinh Tuy nhiên vậtliệu composite thực phát triển 1995 đến nay, kể cả chất lượng và số lượng, đặcbiệt đồng bằng sông Cửu Long các sản phẩm như: ghe, thuyền, nhà chống lũ Công nghệ chế tạo vật liệu composite nhanh chóng phát triển, một số cơ sở nhưtrung tâm nghiên cứu vật liệu polymer Đại học Bách Khoa thành phố Hồ ChíMinh, trung tâm kỹ thuật và công nghệ quốc gia đã nghiên cứu chế tạo và ứngdụng vật liệu composite cốt sợi thủy tinh để chế tạo ra hàng loạt các sản phẩmphục vụ quốc phòng và đời sống như: vỏ thuyền, cano, tàu tuần tra, phao xuồng,tháp nước, thùng và bể chứa, cầu và bồn tắm, cửa ván cống thủy lợi, sà lan, nhàlưu động, tấm lợp, vòng che máy bay và phao máy bay trinh sát điều khiển từ xa,các kết cấu chiệu lực xây cho ngành mở và xây dựng
Cùng với sự phát triển trên nhu cầu về nhập nguyên vật liệu ngày càngtăng Công nghệ sử dụng ở nước ta vẫn chủ yếu công nghệ lát tay, công nghệ phun
và công nghệ tiên tiến khác vẫn được áp dụng Tuy nhiên ta thấy sản phẩm phục
vụ trong đời sống Hầu hết các nước trong khu vực đều đã có nhà máy chế tạo sợithủy tinh và polyester chuyên dùng cho vật liệu composite Hiện nay ngành vậtliệu composite của nước ta đang phát triển và hứa hẹn cho ra nhiều vật liệu mớiứng dụng trong xây dựng, quân sự
2 Thành phần và cấu tạo của composite
Composite là vật liệu có tổ chức đa pha mà phổ biến nhất là chúng tạo nênthành phần cơ bản là vật liệu nền và cốt
2.1 Nền
Là pha liên tục và đóng vai trò chủ yếu Nó liên kết toàn bộ các phần khốicomposite đồng nhất Tạo khả năng để tiếng hành các phương pháp gia côngcomposite thành các chi tiết theo thiết kế Che phủ bảo vệ cốt tránh hư hỏng cơ học
và hóa học của môi trường Nền có thể là các vật liệu khác nhau, theo bản chất củavật liệu nền có thể phân composite ra một số nhóm lớn sau:
Vật liệu nền polymer (composite chất dẻo)
Trang 8 Vật liệu nền kim loại (composite kim loại).
Vật liệu nền gốm, vật liệu nền cacbon
Nền hỗn hợp
2.2 Cốt
Trong toàn bộ khối vật liệu composite, xét về mặt sắp xếp thì cốt phân bốkhông liên tục Về mặt bản chất thì cốt rất đa dạng tùy vào tính chất của compositecần chế tạo
Cốt đóng vai trò tạo nên độ bền cao, mođun đàn hồi cao do đó bản thân cốtphải có độ bền cao, modun đàn hồi cao và nhẹ để có độ bền riêng cao Cốt có thểđược tạo thành từ nguồn kim loại (thép không gỉ, volfram, ) vô cơ (bo, các bon,thủy tinh, gốm, ) hay polymer (polyamit)
Các yếu tố của bản chất cốt ảnh hưởng đến khả năng liên kết với nền như:diện tích bề mặt, khả năng hấp phụ trên bề mặt, độ bền cấu trúc cốt và độ xốp củacốt hạt
Tùy theo phương pháp tạo cốt, composite được phân ra:
Tạo các lớp sợi song song liên tục
Tạo các lớp vải hỗn độn trong hệ không gian
Cường độ của mối liên kết trên bề mặt phân chia nền và cốt
Quan hệ của những thông số này đặc trưng cho toàn bộ các tính chất cơ học
và cơ chế của sự phá hủy vật liệu
Trang 9Khả năng làm việc của composite được đảm bảo bằng việc lựa chọn đúngcấu tử và cả bằng công nghệ sản xuất thích hợp để sao cho giữ được các tính chấtban đầu của các cấu tử.
Sự đa dạng của vật liệu sợi và vật liệu nền cũng như sự đa dạng các sơ đồphân bố cốt sợi, cho phép điều chỉnh một cách có định hướng cường độ, độ cứng,mức độ chịu nhiệt và các tính chất khác của vật liệu composite bằng cách lựa chọnthành phần, thay đổi tỉ lệ các cấu tử
Tùy theo bản chất dạng cốt, composite phân thành hai nhóm: composite cốtdạng hạt phân tán và dạng sợi Chúng khác nhau về cấu tạo và cơ chế tạo cường độcao
3 Đánh giá chất lượng của composite
3.1 Composite cốt dạng hạt phân tán
Hạt chỉ bắt đầu thể hiện tác dụng lèn chặt của mình khi nó hạn chế đượcbiến dạng của nền bằng sự chèn lấp cơ học, điều đó phụ thuộc vào quan hệ khoảngcách giữa các hạt với đường kính của chúng, cũng như vào đặc tính đàn hồi củanền và hạt
Modun đàn hồi của composite cốt hạt phân tán cần phải thỏa mãn đẳngthức của ứng suất trong các cấu tử
En: modun đàn hồi của nền
Eh: modun đàn hồi của hạt
Bất kỳ sự sai lệch dương nào đối với phương trình này đều biểu hiện sự lènchặt nền, có nghĩa là tác dụng lèn chặt của hạt
Trang 10Có những vật liệu mà modun đàn hồi của nó cao hơn cả sợi thủy tinh như:sợi chế tạo từ bore, cacbit silic, sợi cacbon, sợi chế tạo từ các tinh thể hoàn thiệncủa oxit nhôm (saphia),…nhưng giá thành các loại sợi này còn cao, chúng mớiđược dung ở những lĩnh vực mà giá thành vật liệu được xếp ở hàng thứ hai, hyvọng giá thành loại vật liệu mới này giảm xuống và chúng sẽ được dùng trong lĩnhvực xây dựng.
4 Vật liệu Composite trong kết cấu xây dựng
Trang 11các hạt cốt liệu thành một khối dạng đá và được gọi là bêtông Chất kết dính có thể
có thể là xi măng các loại, thạch cao, vôi và cũng có thể là chất kết dính hữu cơ(polyme) Bêtông có cốt thép gọi là bêtông cốt thép
Trong bêtông ximăng cốt liệu thường chiếm 80÷85%, còn xi măng chiếm8÷15% khối lượng
Bêtông và Bêtông cốt thép được sử dụng rộng rãi trong xây dựng hiện đại vìchúng có ưu điểm sau:
Cường độ tương đối cao, có thể chế tạo được những loại bêtông có cường
độ, hình dạng và tính chất khác nhau
Giá thành rẻ
Bền vững và ổn định đối với thời tiết, nhiệt độ, độ ẩm
Tuy vậy chúng còn tồn tai những nhược điểm sau:
Nặng (γo = 2200÷2400 kg/m3)
Cách âm cách nhiệt kém (λ=1,05÷1,5 kCal/m.oC.h)
Khả năng chống ăn mòn yếu
Phân loại:
4.1.1 Bêtông nặng
Có khối lượng (γo > 1800) gồm các loại chính sau:
Bêtông thủy công ( BTTC)
Dùng để xây dựng những
công trình thủy công hoặc bộ
phận công trình nằm thường
thọ cho công trình, BTTC phải có
cường độ, tính ổn định nước,
tính chống thấm nước Hình 1: Bêtông cho công trình thủy điện
Trang 12Khi thời hạn chịu tải của thiết kế của công trình nhỏ hơn 90 ngày thì có thểxác định cường độ ở 60 và 28 ngày.
Để đảm bảo độ bền lâu, chống được tác dụng ăn mòn của môi trường cầnphải chọn loại xi măng và sử dụng các biện pháp chống ăn mòn thích hợp chobêtông
Loại xi măng có thể dùng cho BTTC có thể là: xi măng pooclăng, xi măngpooclăng puzola, xi măng pooclăng bền sunfat Để nâng cao độ đặc cho BTTC cóthể sử dụng phụ gia hoạt động bề mặt
Đối với BTTC, tính chống thấm nước là tính chất rất quan trọng, độ chốngthấm nước được xác định bằng áp lực nước tối đa khi nước còn chưa thấm qua mẫu
ở tuổi 90 ngày Kết cấu phải chịu áp lực nước ở tuổi sớm thì có thể xác định tínhchất này ở tuổi 60 và 28 ngày
Bêtông đường (BTĐ)
Là loại bêtông nặng được sử dụng rộng rãi cho các lớp áo đường ôtô,đường trong các xí nghiệp công nghiệp, đường thành phố và đường băng sân bay
Bêtông trong các lớp áo đường làm việc trong những điều kiện khó khăn
Nó không những chịu tác động củaphương tiện giao thông mà còn chịu tácdụng của thời tiết mưa nắng khô ẩm liêntiếp Do đó, đòi hỏi BTĐ phải có cường
độ cao, đặc biệt là cường độ chịu uốn và
độ chống mài mòn lớn
Độ chống cọ mòn của BTĐ phụ thuộcvào cấu trúc và thành phần lớp trên của áo đường Hỗn hợp bêtông dẻo có tỉ lệnước/ xi măng (N/X) lớn Để giảm N/X và tăng nhanh quá trình rắn chắc củabêtông, người ta còn sử dụng phụ gia hoạt động bề mặt và phụ gia rắn nhanh
Xi măng nên dùng là xi măng poolăng thường và xi măng poolăng đường
có mác không thấp hơn PC40 ( cho lớp móng không nhỏ hơn PC30) Các chỉ tiêu
Hình 2: Bêtông đường
Trang 13tính chất của ximăng: lượng sót trên sàng No-008 không lớn hơn 15%, thành phầnkhoáng: C3S 50÷55%, C2S 20÷25%, C4AF 20÷25%, C3A không lớn hơn 8%.
Cát nên dùng cát thiên nhiên (hạt lớn, hạt trung bình, hạt nhỏ) Cát hạt nhỏ
và rất nhỏ chỉ dùng khi cho thêm khoảng 35% mạt đá
Cốt liệu lớn phải có thành phần hạt hợp lý Đường kính lớn nhất của cốtliệu 40mm dùng cho áo đường một lớp và lớp dưới của áo đường 2 lớp, 20mmdùng cho lớp trên của áo đường 2 lớp Đối với BTĐ tốt nhất nên dùng đá dăm vàsỏi
Bêtông bền axit (BTBA)
Dùng để xây dựng các bể chứa, đường ống và các thiết bị khác trong côngnghiệp hóa học, thay thế cho những loại vật liệu đắt tiền như chì lá, gốm chịu axit
CKD trong BTBA là thủy tinh lỏng – loại natri silicat hoặc kali ở dạng lỏng
có khối lượng riêng khoảng 1,4 kg/l Chất độn là bột khoáng bền axit nghiền từ cátthạch anh tinh khiết, andesit, bazan và diaba, còn chất đống rắn thường là natrifloruasilicat (Na2SiF6) Cát dùng là cát thạch anh, đá dăm nghiền từ đá granite,andesite, quaczite…Thành phần hạt phải đảm bảo chế tạo được bêtông có độ đặccao
Bêtông được đầm chặt bằng phương pháp rung động, bảo dưỡng bêtôngkéo dài 10 ngày trong không khí, với nhiệt độ 15÷20oC Sau khi rắn chắc, bêtôngđược sửa sang bằng cách xoa dung dịch axit HCl và H2SO4
BTBA khá bền vững với axit đậm đặc, kém bền với dung dịch kiềm Nước
có thể phá hủy BTBA trong vòng 5÷10 năm BTBA được dùng làm lớp bảo vệcho bêtông cốt thép và kim loại
Bêtông polyme (BTP)
Trang 14Là loại vật liệu hỗn hợp, trong đó bộ khung silicate được liên kết vớiPolyme hữu cơ.
Sản phẩm bêtông hay bêtông cốt thép sau khi đã sấy khô được cho vào mộtbình kín để chân không hóa và tẩm dung dịch polyme ( metylmetacrilat, stirôn,…).Sau đó các monome dược trùng hợp lại trong các lỗ rỗng của bêtông Để tăngnhanh quá trình trùng hợp có thể sử dụng
phương pháp phóng xạ hoặc tác nhân
nhiệt Sản phẩm có thể được tẩm lên toàn
bộ chiều dày hoặc chỉ trên lớp mặt
Tính chất của BTP về cơ bản là
khác với tính chất của bêtông thường
Từ bêtông thường mác 300 hay 500 có
thể chế tạo được bêtông BTP có cường độ nén đến 1200÷3000 kG/cm2, cường độchịu kéo 120÷200 kG/cm2, còn độ chống mài mòn thì tăng lên 3÷4 lần, môđun đànhồi cũng tăng 1,3÷1,6 lần Độ từ biến của BTP nhỏ hơn nhiều lần, Độ chống thấmnước tăng khoảng 7 lần so với bêtông thường
Tuy vậy, việc tẩm polyme làm cho giá thành sản phẩm tăng lên, nên chỉdùng BTP trong những trường hợp có nhu cầu
Hình 3: Bêtông polyme
Hình 4: Đường ống bêtông tẩm
Trang 15
Để chế tạo BTNCLR người ta dùng xi măng poolăng thường, xi măngpooclăng rắn nhanh, xi măng poolăng xỉ Cốt liệu chủ yếu là cốt liệu rỗng vô cơ.Đối với bêtông nhẹ cách nhiệt và Bêtông chịu lực cách nhiệt có thể dùng cốt liệuhữu cơ chế tạo từ gỗ, thân cây bông, hạt polystiron bọt…
Cốt liệu rỗng vô cơ có nhiều loại: loại thiên nhiên (sỏi đá bọt, tup núi lửa,tup đá vôi, đá vôi vỏ sò…) và loại nhân tạo (keramzit, agloporit, peclit,…)
Sử dụng cốt liệu rỗng thiên nhiên kinh tế hơn, nhưng không phải nơi nàocũng có Cốt liệu rỗng nhân tạo từ thải phẩm công nghiệp (xỉ lò cao, tro xỉ nhiệtđiện, ) thì về số lượng bị hạn chế và chất lượng không được đảm bảo nên ít dùng.Ngày nay, ở nhiều nước trên thế giới đang đẩy mạnh công nghiệp sản xuất cốt liệurỗng bằng cách nung
Hình 5: Gạch bê tông nhẹ dùng trong xây tường ngăn